DE4119880C2

DE4119880C2 - Schaltungsanordnung mit SQUID zum Messen von magnetischem Fluß

Info

Publication number: DE4119880C2
Application number: DE19914119880
Authority: DE
Inventors: Yi Dr Zhang
Original assignee: Forschungszentrum Juelich GmbH
Current assignee: Forschungszentrum Juelich GmbH
Priority date: 1991-06-17
Filing date: 1991-06-17
Publication date: 1993-12-23
Anticipated expiration: 2011-06-18
Also published as: DE4119880A1

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 Φ_e die durch den Parameter

charakterisiert wird.

Dabei sind
L_S: die Induktivität des SQUID
I_C: der kritische Strom der Brücke
Φ_o : das Flußquantum.

Bei β_e < 1 spricht man von dissipativem Modus, bei β_e < 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 I_C 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:

Dispersiver Modus

Für β_e1 kann man den Josephsonkontakt als eine äqui valente Induktivität L_J annehmen. Die effektive Induktivität L_T(eff) des Schwingkreises wird durch die Tankspule und das SQUID bestimmt.

L_T(eff) = L_T [1 - k²L_S/(L_J + L_S)]

Die Induktivität L_J des Josephsonkontaktes wird durch den externen Fluß Φ_e moduliert. Die Abhängigkeit L_T(eff) von Φ_e kann man entweder durch die Re sonanzfrequenz oder durch das Rauschspektrum des Schwingkreises messen.

Eine Änderung der effektiven Induktivität L_T(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 β_e≈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.

Dissipativer Modus:

Wird ein rf SQUID im dissipativen Modus (β_e<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 L_T≈6·10^-7H, die Betriebsfrequenz ω_HF=50π10⁶ Hz und die Gegeninduktivität M≈2 · 10⁻⁹ ist δU/δΦ≈94 µV/Φ_o, 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 S_U (ω) des SQUID-Signals; mit der jeweiligen Funktion δU/δϕ für das Spannungsspektrum kann man diese in die Fluktuation des Flusses umrechnen:

Sϕ (ω) = S_U (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.

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 U_Hf ab, obwohl der externe Hf Strom I_Hf=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 (ß_e<1 und ß_e<1) beim ersten rf Arbeitspunkt, für ß_e<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.

Am Kondensator des Tankkreises steht die zu messende Spannung U_Hf 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

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.