DE4119880C2 - Schaltungsanordnung mit SQUID zum Messen von magnetischem Fluß - Google Patents
Schaltungsanordnung mit SQUID zum Messen von magnetischem FlußInfo
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Description
Die Erfindung geht aus von einer Schaltungsanordnung
mit einem aus einem supraleitendem Ring mit einem inkorporierten
Josephsonelement bestehenden Supraleitenden-QUANTEN-
Interferenz-Detektor (SQUID) zum Messen von magne
tischem Fluß und mit einem an den Detektor angekop
pelten, elektrischen Schwingkreis, dem eine Auswer
teelektronik nachgeschaltet ist.
Zum Betrieb dieser u. a. aus DE-AS 29 06 264 bekannten
Sensoren, beispielsweise bei biomagnetischen Messungen,
werden sie im allgemeinen an einen elektrischen
Parallelschwingkreis, im folgenden Tankkreis genannt,
mit Resonanzfrequenz f angekoppelt, in welchen wiederum
ein Hochfrequenzstrom 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 verwendet wird.
Zwei verschiedene Arten von HF-SQUIDs sind bekannt.
Der Unterschied liegt in der Abhängigkeit zwischen
dem effektiven Fluß Φ im SQUID-Ring und dem exter
nen Fluß Φe die durch den Parameter
charakterisiert wird.
Dabei sind
LS: die Induktivität des SQUID
IC: der kritische Strom der Brücke
Φo : das Flußquantum.
LS: die Induktivität des SQUID
IC: der kritische Strom der Brücke
Φo : das Flußquantum.
Bei βe < 1 spricht man von dissipativem Modus, bei
βe < 1 von dispersivem Modus.
Zu messen ist der Wert der Funktion δU/δΦ.
Es ist ferner bekannt, daß für optimalen Betrieb
das Produkt k² Q≈1 sein muß, wobei k der
Kopplungsfaktor zwischen Tankkreis und SQUID und Q
die Güte des Tankkreises ist. Optimaler Betrieb
heißt dabei, daß die Transferfunktion des SQUID
∂U/∂Φ maximal wird.
Für eine typische Kopplung k=0,14 sollte die Güte
Q des Schwingkreises größer als 50 sein, um die Be
dingung k2Q≈1 zu erfüllen. Aber die gemessenen
Werte von Q liegen bei 77 K für ein 20 MHz System
je nach der Qualität des Supralleiters und dem kri
tischen Strom IC des Josephsonkontaktes zwischen
10 und 30.
Eine Schwierigkeit liegt darin, daß die Anzahl der
Windungen und die Form der Tankspule durch ein ent
sprechendes SQUID weitgehend vorgegeben sind. Die
Güte Q des Schwingkreises kann dafür kaum durch
eine Änderung der Spule erhöht werden.
Eine Verbesserung der Güte Q ließe sich, wie der Druckschrift
"Schubert, Karl-Heinz: Amateurfunk, 5. Auflage,
Militärverlag der DDR, S. 189, Abschn. 7.10" entnommen
werden kann, durch eine dem Schwingkreis nachgeschaltete
Entdämpfungsschaltung mit positiver Rückkopplung
erreichen.
Nachteilig sind jedoch die dadurch verursachten zusätzlichen
Aufwendungen, die die ohnehin schon umfangreiche
Schaltungsanordnung kostenintensiver werden läßt.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine kostengünstige
Schaltungsanordnung der eingangs bezeichneten Art zu
schaffen, bei der die aufgezeigten Nachteile vermieden
werden.
Diese Aufgabe wird durch die im Patentanspruch angegebenen Merkmale gelöst.
Durch die Entdämpfung des Schwingkreises kann die
Güte Q so eingestellt werden, daß die Bedingung k2Q ungefähr
1 bei 77 K völlig erfüllt ist und die Funktion
RU/∂Φ ein Maximum erreicht. Eine mögliche Entdämpfungsschaltung
kann beispielsweise der in der
Zeichnung dargestellten entsprechen. Wird ein solcher
Schwingkreis mit einem breitbandigen Verstärker verbunden,
wird die Güte Q bei 77 K durch die Entdämpfung auf
ca. 2000 erhöht, ohne selbst zu schwingen. Dieser aktive
Schwingkreis kann auch direkt mit einer
konventionellen Elektronik verbunden werden, wodurch
der Wert von Q auf ca. 200 gesteigert wird.
Bei dieser Schaltungsanordnung wird das thermische Rauschen
des Schwingkreises zum Betrieb des SQUIDs als
"Betriebsspannung" eingesetzt. Aus diesem Grund wird
der sonst übliche HF-Oszillator, der dazu dient, geeignete
Frequenzen in den Tankkreis einzuspeisen, nicht
mehr benötigt.
Die Wirkung der Entdämpfung wird im folgenden für die
beiden Modi, in denen ein SQUID betrieben werden kann,
beschrieben:
Für βe1 kann man den Josephsonkontakt als eine äqui
valente Induktivität LJ annehmen. Die effektive Induktivität
LT(eff) des Schwingkreises wird durch die
Tankspule und das SQUID bestimmt.
LT(eff) = LT [1 - k²LS/(LJ + LS)]
Die Induktivität LJ des Josephsonkontaktes wird durch
den externen Fluß Φe moduliert. Die Abhängigkeit
LT(eff) von Φe kann man entweder durch die Re
sonanzfrequenz oder durch das Rauschspektrum des
Schwingkreises messen.
Eine Änderung der effektiven Induktivität LT(eff)
des Schwingkreises durch eine Flußmodulation wird
bei niedriger Güte bei 77 K kaum registriert. Dies
gelingt allerdings mit der erfindungsgemäßen Ent
dämpfung bei 77 K anhand eines Rauschspektrums des
Schwingkreises.
Durch die Entdämpfung sind mit den Rauschspektren
zwei Effekte, nämlich eine Resonanzfrequenzverschie
bung und eine Änderung der Güte Q durch eine Varia
tion des externen Flusses, zu beobachten.
Für βe≈1 ist die Frequenzverschiebung Δf≈800 kHz
pro Φ/2 bei f≈27 MHz und die Güteänderung 8 dB.
Dies führt zu der Ausführungsform der erfindungsge
mäßen Schaltungsanordnung, bei der zur Detektion
des Meßsignals ein Frequenz-Domodulator (FM) vorge
sehen ist.
Wird ein rf SQUID im dissipativen Modus (βe<1) be
trieben, finden die Quantenübergänge statt, der
SQUID dissipiert die Energie vom Schwingkreis. Ist
die Güte Q des Schwingkreises klein, z. B. Q=20, so
ist bei 77 K die I-U-Kennlinie stark abgerundet mit
außergewöhnlich langen Plateaus.
Durch die Entdämpfung des Schwingkreises wird die
I-U-Kennlinie viel weniger abgerundet und der Wert
der Funktion ∂U/δΦ wird größer.
Die Amplitude des Signals für ein Film-SQUID bei
65 K mit Entdämpfung ist 3-4mal größer als ohne
Entdämpfung. Bei der Entdämpfung eines massiven
SQUIDs steigt die Amplitude nur etwa um das 1,5fa
che. Dies resultiert daraus, daß eine planare Spule
eine noch geringere Güte als eine zylindrische Spule
hat.
Ist die Bedingung k2Q≈1 erfüllt, erreicht der Wert
der Funktion ∂U/δΦ ein Maximum, das nun vergleich
bar mit dem theoretischen Wert ist, der unabhängig
von der SQUID-Arbeitstemperatur ist. Dies wird bei
Einsatz der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung
erreicht, denn diese Temperaturunabhängigkeit wurde
durch die Entdämpfung festgestellt, d. h. die Werte
von U/Φ sind bei 4,2 K und bei 77 K vergleichbar.
Für die Induktivität der Tankspule LT≈6·10-7H, die
Betriebsfrequenz ωHF=50π10⁶ Hz und die Gegeninduktivität
M≈2 · 10⁻⁹ ist δU/δΦ≈94 µV/Φo, was auch sehr
gut dem gemessenen Wert entspricht. Die Ursache einer
Abnahme der Signalamplitude des Hf SQUIDs mit wach
sender Temperatur wird durch eine Reduktion der Güte
Q des Schwingkreises erklärt.
Eine durch die die erfindungsgemäße Schaltungsanord
nung bewirkte Verbesserung bezieht sich auch auf
das
Rauschspektrum Sϕ (ω) bzw. das Rauchverhältnis:
Das Rauschspektrum Sϕ (ω) ist eine der wichtigsten
Eigenschaften des SQUIDs. Man erhält Sϕ (ω) durch
die Messung der fluktuierenden Spannung SU (ω) des
SQUID-Signals; mit der jeweiligen Funktion δU/δϕ
für das Spannungsspektrum kann man diese in die
Fluktuation des Flusses umrechnen:
Sϕ (ω) = SU (ω)/(δU/δϕ)2.
Daraus resultiert:
Weil der Wert von δU/δϕ durch eine Entdämpfung er höht wird, wird das Flußrauschen reduziert. So zeig te es sich, daß das Rauschen für ein massives SQUID bei 77 K durch die Entdämpfung auf ca. 75% und das für ein Film-SQUID bei 65 K auf die Hälfte reduziert wird.
Weil der Wert von δU/δϕ durch eine Entdämpfung er höht wird, wird das Flußrauschen reduziert. So zeig te es sich, daß das Rauschen für ein massives SQUID bei 77 K durch die Entdämpfung auf ca. 75% und das für ein Film-SQUID bei 65 K auf die Hälfte reduziert wird.
Die erfindungsgmäß dem Schwingkreis nachgeschaltete
Entdämpfungsschaltung führt außerdem zu einer wei
teren Vereinfachung der Auswertung, die im folgen
den dargelegt wird:
Im Fall k2Q»1, der durch die Entdämpfungsschaltung erreicht wird, fällt über dem Schwingkreis schon eine Spannung UHf ab, obwohl der externe Hf Strom IHf=0 ist (der Ursprungspunkt der I-U-Kennlinie des Schwingkreises wird während einer Zunahme der Güte Q entlang der Stromachse nach rechts verschoben). Dadurch bietet sich die Möglichkeit, daß ein SQUID nur durch den Rauschstrom des Schwingkreises ohne einen zusätzlichen Hf Oszillator betrieben werden kann. Eine besondere Ausführungsform der Schaltungs anordnung ist daher erfindungsgemäß gekennzeichnet durch die an die Stelle des sonst üblichen, zusätz lichen rf-Oszillators tretende Entdämpfungsschaltung.
Im Fall k2Q»1, der durch die Entdämpfungsschaltung erreicht wird, fällt über dem Schwingkreis schon eine Spannung UHf ab, obwohl der externe Hf Strom IHf=0 ist (der Ursprungspunkt der I-U-Kennlinie des Schwingkreises wird während einer Zunahme der Güte Q entlang der Stromachse nach rechts verschoben). Dadurch bietet sich die Möglichkeit, daß ein SQUID nur durch den Rauschstrom des Schwingkreises ohne einen zusätzlichen Hf Oszillator betrieben werden kann. Eine besondere Ausführungsform der Schaltungs anordnung ist daher erfindungsgemäß gekennzeichnet durch die an die Stelle des sonst üblichen, zusätz lichen rf-Oszillators tretende Entdämpfungsschaltung.
Bei Einsatz dieser Ausführungsvariante zeigt sich,
daß das vom Rauschstrom des Schwingkreises betrie
bene SQUID für beide Modi (ße<1 und ße<1) beim
ersten rf Arbeitspunkt, für ße<1 sogar auch beim
zweiten und dritten rf Arbeitspunkt, sehr stabil,
d. h. ohne daß der Schwingkreis selbst anfängt zu
schwingen, arbeiten kann.
Eine Ausführungsform der erfindungemäßen Schaltungs
anordnung ist in der Zeichnung dargestellt und wird
im folgenden näher erläutert:
An den in der Zeichnung schematisch dargestellen HF-SQUID, der aus supraleitendem Ring im inkorporier tem Josephsonelement besteht und der vom zu messen den Magnetfluß Φ0 durchflossen wird, ist der im einzelnen nicht näher bezeichnete Schwingkreis (Tank kreis) angekoppelt.
An den in der Zeichnung schematisch dargestellen HF-SQUID, der aus supraleitendem Ring im inkorporier tem Josephsonelement besteht und der vom zu messen den Magnetfluß Φ0 durchflossen wird, ist der im einzelnen nicht näher bezeichnete Schwingkreis (Tank kreis) angekoppelt.
Am Kondensator des Tankkreises steht die zu messende
Spannung UHf an.
Dem Schwingkreis ist die Entdämpfungsschaltung nach
geschaltet. Sie besteht aus den pnp-Transistoren
T1 und T2, den Festwiderstanden von 10 k/Ω, dem va
riierbaren Widerstand von 22 kΩ und den Kondensa
toren von 10 nF und 100 nF. Die Spannungen +-V be
tragen +6V und -6V.
Die positive Rückkopplung der Entdämpfungsschaltung
erfolgt durch Einstellen des variablen Widerstandes.
Claims (1)
- Schaltungsanordnung mit einem aus einem supraleitendem Ring mit einem inkorporiertem Josephsonelement bestehendem Supraleitenden- QUANTEN-Interferenz-Detektor (SQUID) zum Messen von magnetischem Fluß und mit einem an den Detektor angekoppelten, elektrischen Schwingkreis, dem eine Auswerteelektronik nachgeschaltet ist, dadurch gekennzeichnet, daß anstelle des sonst üblichen, zusätzlichen Hf-Oszillators eine dem Schwingkreis nachgeschaltete Entdämpfungsschaltung mit einstellbarer positiver Rückkopplung vorgesehen ist.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19914119880 DE4119880C2 (de) | 1991-06-17 | 1991-06-17 | Schaltungsanordnung mit SQUID zum Messen von magnetischem Fluß |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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DE19914119880 DE4119880C2 (de) | 1991-06-17 | 1991-06-17 | Schaltungsanordnung mit SQUID zum Messen von magnetischem Fluß |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE4119880A1 DE4119880A1 (de) | 1993-01-07 |
DE4119880C2 true DE4119880C2 (de) | 1993-12-23 |
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ID=6434091
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Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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DE19914119880 Expired - Fee Related DE4119880C2 (de) | 1991-06-17 | 1991-06-17 | Schaltungsanordnung mit SQUID zum Messen von magnetischem Fluß |
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Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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DE19513481A1 (de) * | 1995-04-13 | 1996-10-17 | Forschungszentrum Juelich Gmbh | HF-SQUID-Gradiometer mit resonanter Flußfokussierungsstruktur |
DE19517399A1 (de) * | 1995-05-15 | 1996-11-21 | Forschungszentrum Juelich Gmbh | rf-SQUID mit Resonator |
DE19524310A1 (de) * | 1995-07-07 | 1997-01-16 | Forschungszentrum Juelich Gmbh | Impedanzwandler für rf-SQUID-Tankschwingkreis |
Families Citing this family (4)
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GB2570988B (en) | 2016-05-03 | 2020-04-29 | D Wave Systems Inc | Systems and methods for superconducting devices used in superconducting circuits and scalable computing |
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CN112514158B (zh) * | 2018-05-16 | 2022-04-15 | D-波系统公司 | 超导集成电路、控制电路及加载磁通量量子的方法 |
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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JPS5910510B2 (ja) * | 1978-06-25 | 1984-03-09 | 東北大学長 | 超伝導量子干渉磁束計 |
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1991
- 1991-06-17 DE DE19914119880 patent/DE4119880C2/de not_active Expired - Fee Related
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DE4119880A1 (de) | 1993-01-07 |
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