DE3931441A1 - Sensor zum messen von magnetischem fluss - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Sensor zum Messen von magnetischem Fluß, bestehend aus supra­ leitendem Ring mit inkorporierten Josephsonelement, der an einen elektrischen Schwingkreis angekoppelt ist.

Bei derartigen Sensoren ist der supraleitende Ring mit inkorporiertem Josephsonelement in Dünnfilm­ technik hergestellt, wobei Ring und Josephsonele­ ment durch Aufdampfen oder Kathodenzerstäubung als dünne Schicht auf einem Substrat, welches möglichst niedrige dielektrische Verluste aufweist, aufge­ bracht sind.

Zum Betrieb dieser bekannten Sensoren werden sie im allgemeinen an einen elektrischen Parallel­ schwingkreis, im folgenden Tankkreis genannt, der ebenfalls supraleitend sein kann, nit Resonanzfre­ quenz f angekoppelt, in welchen wiederum ein Hoch­ frequenzstrom mit gleicher Frequenz f eingeprägt wird. Der supraleitende Ring bedämpft den Tankkreis, wobei die Größe der Dämpfung vom magnetischen Fluß durch den supraleitenden Ring abhängig ist. Dadurch ändert sich der Spannungsabfall über dem Tankkreis, was zum Auslesen des Sensors verwandet wird.

Es ist ferner bekannt, daß das Eigenrauschen dieser Sensoren und damit deren maximale Empfindlichkeit gesteigert werden kann, wenn die Betriebsfrequenz des Tankkreises vergrößert wird. Zu höheren Fre­ quenzen hin (f < 500 Mhz) bereitet jedoch die Realisierung von Tankkreisen aus diskreten Bauele­ menten, wie Spule und Kondensator, Schwierigkeiten, und auch die Kopplung zwischen Tankkreis und dem supraleitenden Ring sinkt wegen der mit zunehmender Frequenz geringer werdenden Induktivität der Tank­ kreisspule auf zu geringe Werte ab.

Es ist Aufgabe der Erfindung, einen Sensor zu schaffen, der mit höherer Frequenz als die bisher bekannten Sensoren dieser Art bei zumindest gleich guter Kopplung zwischen Tankkreis und dem das Josephsonelement enthaltenden, supraleitenden Ring betrieben werden kann.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch einen Sensor mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.

Beim erfindungsgemäßen Sensor sind supraleitender Ring und Tankkreis ein Bauteil. Dieses besteht aus dem Streifenresonator, wobei der Streifenresonator selbst den Tankkreis und die Begrenzung der Öffnung den supraleitenden Ring, in den des Josephsonele­ ment inkorporiert ist, bildet. Der supraleitende Ring bildet sich somit quasi erst während des Betriebs des Sensors aus.

Dadurch, daß das Josephsonelement längs der Mittel­ bzw. Längsachse des Streifenresonators liegend angeordnet ist, fließt in ihm - falls ein genügend hoher Hochfrequenzstrom eingespeist wird - der für die Messung der Magnetflüsse notwendige Strom.

Für den Betrieb des Sensors ist die Resonanz­ frequenz einzuspeisen, die im Streifenresonator stehende Wellen bildet. Dies kann - bei zunächst beliebiger Länge des Streifenresonators - durch Aufsuchen bzw. Einstellen der Resonanzfrequenz geschehen. Soll jedoch mit einer bestimmten Fre­ quenz gearbeitet werden, so ist der Streifenreso­ nator so auszulegen, daß seine elektrische Länge einem ungeraden Vielfachen der Halbwellenlänge der Betriebsfrequenz entspricht.

Um den supraleitenden Ring mit inkorporiertem Josephsonelement möglichst günstig im Streifen­ resonator zu plazieren, wird er zweckmäßigerweise an einer Stelle maximalem Stromflusses im Streifen­ resonator angeordnet.

Es ist ferner für eine gute Ankopplung des Streifen­ resonators an die zum Betrieb des Sensors erforder­ liche Raumtemperaturelektronik zweckmäßig, deß das für diese Ankopplung vorgesehene weitere Stück Streifenleitung in der Nähe eines im Streifenreso­ nator sich bildenden Spannungsbauches angeordnet ist.

Die bisher beschriebene Version des erfindungsge­ mäßen Sensors eignet sich in gleicher Weise wie bisher bekannte Sensoren dieser Art - allerdings mit höherer Empfindlichkeit - zur Messung der Änderung eines Magnetflusses. Dabei handelt es sich in der Regel nicht um Absolutmessungen. Viel­ mehr stellt man mit Sensoren dieser Art nur eine Änderung des Magnetflusses fest, entweder, indem man den Sensor bewegt oder indem man das Magnetfeld verändert. Ein - im Meßbereich - homogenes Magnet­ feld ist dann daran zu erkennen, daß es keine relative Änderung des Magnetflusses zu messen gestattet.

Will man dagegen einen am Ort des Sensors inhomo­ genen Magnetfluß feststellen und dabei den Einfluß eines überlagernden homogenen Magnetflusses, der beispielsweise von in der Nähe befindlichen Stör­ quellen herrühren kann, ausschalten, so bietet sich vorteilhaft eine Version des erfindungsgemäßen Sensors an, bei dem längs der Mittel- bzw. Längs­ achse des Streifenresonators hintereinander angeord­ nete Öffnungen mit dazwischen befindlichem Josephson­ element vorgesehen sind, wobei der Streifenresonator im Bereich der Öffnungen sowohl in Bezug auf die Öffnungen als auch in Bezug auf seine Mittel- bzw. Längsachse unsymmetrisch ausgebildet ist.

Die Unsymmetrie des Streifenresonators im Bereich der Öffnungen dient dazu, einen Hochfrequenzstrom im Josephsonelement zu erzeugen. Sie kenn beispiels­ weise dadurch realisiert werden, daß der Streifen­ resonator an einer der Öffnungen eine seitliche Aussparung und damit an dieser Stelle eine Ver­ engung aufweist. Der dadurch bedingte Stromfluß in dieser Verengung im Streifenresonator ist ein anderer als an der entsprechenden Stelle nahe der anderen Öffnung, d. h. die Stromverteilung längs der beiden Öffnungen ist unterschiedlich. Dies führt zu einen resultierenden Strom durch des Josephsonelement.

Damit ist es zugleich möglich, einen im Bereich der beiden Öffnungen inhomogenen Magnetfluß bzw. einen in diesem Meßbereich in Bezug auf die beiden Öffnungen sich unterschiedlich ändernden Magnetfluß, beispielsweise bei sich ändernden Hirnströmen, als solchen zu erkennen bzw. zu messen.

Ausgestaltungen dieser zweiten Version des Sensors gemäß der Erfindung weisen die Merkmale der Ansprüche 6 bis 9 auf.

Eine weitere Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Sensors besteht ferner darin, daß bei einem als Mikrobrücke ausgebildeten Josephsonelement der Teil des Substrats unterhalb des Josephsonelements aus einem Material mit möglichst geringer Wärme­ leitung besteht. Dadurch kann durch die im Josephson­ element durch Dissipation entstehende Wärme der kritische Strom des Josephsonelements auf günstigere Werte verkleinert werden, wenn die Periodendauer der Betriebsfrequenz des Sensors klein ist gegen die Zeit, in der die im Josephsonelement entstehende Wärme durch Wärmeleitung wegtransportiert werden kann.

In der Zeichnung werden die beiden Versionen des Sensors gemäß der Erfindung schematisch dargestellt und im folgenden näher erläutert: Es zeigen

Fig. 1 die Version des Sensors mit einer Öffnung.

Fig. 2 die Version des Sensors mit zwei Öffnungen.

Die in Fig. 1 dargestellte, einfache Version des Sensors besteht aus dem Streifenresonator 1, der darin integrierten Öffnung 2 mit dem sie umgebenden supraleitenden Ring. Dieser supraleitende Ring ist in der Zeichnung nicht wiedergegeben, da er sich erst im Betrieb als der die Öffnung umgebenden Ringstrom ausbildet. Dieser Ringstrom durchfließt das Josephsonelement 3, des längs der Mittelachse des Streifenresonators 1 angeordnet ist, wobei dafür Sorge getragen ist, daß der dem Josephsonele­ ment gegenüberliegende Teil des Streifenresonators breiter ist als das Josephsonelement.

Der parallel zum Streifenresonator 1 angeordnete weitere Streifen 4 dient der kapazitiven Ankopplung des Streifenresonators an eine in der Zeichnung nicht dargestellte Auswerteelektronik.

Die Länge 1 des Streifenresonators ist so bemessen, daß sie einem ungeraden Vielfachen der halben Wellenlänge der Betriebsfrequenz entspricht. Das Josephsonelement ist dabei an einer Stelle maximalen Stromflusses im Streifenresonator 1 angeordnet.

Die in Fig. 2 dargestellte Sensorversion besteht aus dem Streifenresonator 1, darin integrierten zwei Öffnungen 2a und 2b mit dazwischen liegendem Josephsonelement 3 sowie dem weiteren Streifen 4.

In der Nähe der Öffnung 2b weist der Streifenreso­ nator 1 eine Aussparung 5 auf, so daß er damit sowohl in Bezug auf die Öffnungen als euch in Bezug auf seine Mittel- bzw. Längsachse unsymmetrisch ausgebildet ist. Wie weiter oben ausgeführt, ist diese Version des Sensors zur Messung inhomogener Magnetflüsse geeignet.

Claims (10)

1. Sensor zum Messen von magnetischem Fluß, bestehend aus supraleitendem Ring mit inkorporiertem Josephson­ element, der an einem elektrischen Schwingkreis angekoppelt ist, dadurch gekennzeichnet, daß der elektrische Schwingkreis aus einer, einen Resonator für stehende elektrische Wellen bildenden Stück Streifenleitung (1) besteht, in der sich eine für den zu messenden Magnetfluß vorgesehene Öffnung (2) mit angrenzendem Josephsonelement (3) befindet, so daß der supraleitende Ring in den Streifenresonator (1) integriert ist, wobei das Josephsonelement längs der Mittel- bzw. Längsachse des Streifenresonators liegend angeordnet ist und daß zur kapazitiven Ankopplung des Streifenresona­ tors (1) an eine Auswerteelektronik ein am Streifen­ resonator anliegendes weiteres Stück Streifenleitung (4) vorgesehen ist.

2. Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrische Länge 1 des Streifenresonators (1) einem ungeraden Vielfachen der halben Wellen­ länge der Betriebsfrequenz entspricht.

3. Sensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Josephsonelement (3) an einer Stelle maxi­ malen Stromflusses im Streifenresonator (1) angeord­ net ist.

4. Sensor nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das weitere Stück Streifenleitung (4) in der Nähe eines im Streifenresonator (1) sich bildenden Spannungsbauches angeordnet ist.

5. Sensor zum Messen von magnetischem Fluß, bestehend aus supraleitendem Ring mit inkorporiertem Josephson­ element, der an einen elektrischen Schwingkreis angekoppelt ist, dadurch gekennzeichnet, daß der elektrische Schwingkreis aus einer, einen Resonator für stehende elektrische Wellen bildenden Stück Streifenleitung (1) besteht, in der zur Messung inhomogener Magnetflüsse zwei gleiche, längs der Mittel- bzw. Längsachse des Streifenre­ sonators (1) hintereinander angeordnete Öffnungen (2a, 2b) mit dazwischen befindlichem Josophsonele­ ment (3) vorgesehen sind, so daß der jeweilige supraleitende Ring in den Streifenresonator (1) integriert ist, daß der Streifenresonator im Be­ reich der Öffnungen sowohl in Bezug auf die Öff­ nungen als auch in Bezug auf seine Mittel- bzw. Längsachse unsymmetrisch ausgebildet ist und daß zur kapazitiven Ankopplung des Streifenresonators (1) an eine Auswerteelektronik ein am Streifenre­ sonator anliegendes weiteres Stück Streifenleitung (4) vorgesehen ist.

6. Sensor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Öffnungen (2a, 2b) symmetrisch zur Mittel­ bzw. Längsachse des Streifenresonators (1) angeord­ net sind.

7. Sensor nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrische Länge l des Streifenresonators (1) einem ungeraden Vielfachen der halben Wellen­ länge der Betriebsfrequenz entspricht.

8. Sensor nach Anspruch 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Josephsonelement (3) an einer Stelle maxi­ malen Stromflusses im Streifenresonator (1) angeord­ net ist.

9. Sensor nach Anspruch 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das weitere Stück Streifenleitung (4) in der Nähe eines im Streifenresonator (1) sich bildenden Spannungsbauches angeordnet ist.

10. Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß bei einem als Mikrobrücke ausgebildeten Josephsonelement (3) der Teil des Substrats unter­ halb des Josephsonelements aus einem Material mit möglichst geringer Wärmeleitung besteht.