DE4201501A1 - Magnetic field direction sensor - has mutually orthogonal superconductive elements exhibiting resistance anisotropy - Google Patents
Magnetic field direction sensor - has mutually orthogonal superconductive elements exhibiting resistance anisotropyInfo
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Abstract
Description
Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zur Bestimmung der lokalen Ausrichtung eines Magnetfeldes. Eine solche Ein richtung kann auch als Magnetfeld-Richtungsmesser bezeichnet werden.The invention relates to a device for determination the local orientation of a magnetic field. Such a one direction can also be called a magnetic field direction meter will.
Es ist bekannt, die lokale Ausrichtung eines Magnetfeldes mit tels Hall-Sonden zu ermitteln. Entsprechende Einrichtungen er möglichen jedoch mit vertretbarem Aufwand nur eine verhältnis mäßig grobe Richtungsbestimmung.It is known to use the local alignment of a magnetic field Hall sensors. Appropriate facilities he however, only a ratio is possible with reasonable effort moderately rough determination of direction.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, einen Ma gnetfeld-Richtungssensor zu schaffen, mit dem sich die Aus richtung eines Magnetfeldes mit hoher Meßgenauigkeit bestimmen läßt.The object of the present invention is therefore a Ma gnetfeld direction sensor to create the off Determine the direction of a magnetic field with high measuring accuracy leaves.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß für die Einrichtung folgende Merkmale vorgesehen werden:This object is achieved in that for The following features should be provided:
- - Zwei in einer Vorzugsrichtung stromdurchflossene supralei tende Elemente, die jeweils eine ausgeprägte Anisotropie ihres elektrischen Widerstandes in Abhängigkeit von der Lage einer vorbestimmten Ebene bezüglich der Ausrichtung des Ma gnetfeldes zeigen, wobei die Stromführung jeweils zumindest annähernd in dieser Ebene erfolgt, welche supraleitenden Elemente so angeordnet sind, daß die vorbestimmten Ebenen orthogonal zueinander ausgerichtet sind,- Two supralei through which current flows in a preferred direction elements, each with a pronounced anisotropy their electrical resistance depending on the location a predetermined level with respect to the orientation of the Ma gnetfeldes show, the current routing at least takes place approximately in this plane, which superconducting Elements are arranged so that the predetermined levels are aligned orthogonally to each other,
- - Mittel zur Kühlung der supraleitenden Elemente auf eine vor bestimmte Betriebstemperatur unterhalb der Sprungtemperatur ihres supraleitenden Materials, - Means for cooling the superconducting elements on a front certain operating temperature below the transition temperature of their superconducting material,
- - Mittel zur Drehung der supraleitenden Elemente um parallel zu den Vorzugsrichtungen liegende Achsen sowie- Means for rotating the superconducting elements in parallel axes lying in the preferred directions such as
- - Mittel zur Messung des sich über jedem supraleitenden Ele ment in der jeweiligen Vorzugsrichtung ergebenden Spannungs abfalls, wenn in der jeweiligen Vorzugsrichtung ein konstant gehaltener, überkritischer Strom fließt.- Means for measuring the over each superconducting ele voltage in the respective preferred direction declines if a constant in the respective preferred direction held, supercritical current flows.
Hierbei wird unter der Sprungtemperatur Tc eines Supraleiter materials die Temperatur verstanden, bei der bei einer Abküh lung des Materials bei fehlendem äußeren Magnetfeld und bei minimalem Meßstrom, d. h. bei Meßstromdichten unter 100 A/cm2, der spezifische Widerstand des Materials unter 0,1 µΩcm ab sinkt. Der Meßstrom wird im vorliegenden Fall als überkritisch angesehen, wenn er über dem Element bei der vorbestimmten Be triebstemperatur und bei anliegendem Magnetfeld unabhängig von dessen Ausrichtung zu einem Spannungsabfall von mindestens 100 nV führt.Here, the step temperature T c of a superconductor material is understood to be the temperature at which the specific resistance of the material is less than 0.1 when the material is cooled down in the absence of an external magnetic field and with a minimal measuring current, ie at measuring current densities below 100 A / cm 2 µΩcm decreases. The measuring current is considered to be supercritical in the present case if it leads to a voltage drop of at least 100 nV over the element at the predetermined operating temperature and with an applied magnetic field regardless of its orientation.
Bei der erfindungsgemäßen Einrichtung wird von der an sich be kannten Tatsache ausgegangen, daß supraleitende Elemente mit ausgeprägter Anisotropie ihres Widerstandsverhaltens bezüglich ihrer Ausrichtung in einem Magnetfeld eine starke nichtlineare Abhängigkeit der Leitfähigkeit von der Ausrichtung bezüglich des Magnetfeldes zeigen können (vgl. "Physica C", Vol. 174, 1991, Seiten 227 bis 232, insbesondere Fig. 2). Eine solche Abhängigkeit wird bei der erfindungsgemäßen Einrichtung ausge nutzt, indem mit den Drehungen um jede der beiden zueinander orthogonalen Drehachsen jeweils ein Extremwert des Spannungs abfalls ermittelt wird. Die zugehörigen Drehpositionen für die beiden Drehungen legen dann eindeutig die Richtung des Magnet feldes fest. Da der von der jeweiligen Drehposition abhängige Verlauf der ermittelten Spannungskurve scharfe Minima bei ei ner Ausrichtung des Magnetfeldes parallel zur Oberfläche der jeweiligen Flachseite zeigt, ist die Bestimmung der Ausrich tung des Magnetfeldes entsprechend genau.In the device according to the invention, it is assumed that the fact that superconducting elements with a pronounced anisotropy of their resistance behavior with regard to their orientation in a magnetic field can exhibit a strong non-linear dependence of the conductivity on the orientation with respect to the magnetic field (cf. "Physica C", Vol. 174, 1991, pages 227 to 232, in particular Fig. 2). Such a dependency is used in the device according to the invention by determining an extreme value of the voltage drop with the rotations about each of the two mutually orthogonal axes of rotation. The associated rotational positions for the two rotations then clearly define the direction of the magnetic field. Since the course of the determined voltage curve, which is dependent on the respective rotational position, shows sharp minima with an alignment of the magnetic field parallel to the surface of the respective flat side, the determination of the alignment of the magnetic field is correspondingly accurate.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Einrichtung nach der Erfin dung gehen aus den Unteransprüchen hervor.Advantageous refinements of the device according to the inven dung emerge from the subclaims.
Die Erfindung wird nachfolgend noch weiter erläutert, wobei auf die Zeichnung Bezug genommen wird. Dabei zeigt Figur schematisch als Ausführungsbeispiel einen magnetfeldsensitiven Teil eines erfindungsgemäßen Richtungssensors. In Fig. 2 ist ein supraleitendes Element dieses Sensors näher veranschau licht. Aus den Diagrammen der Fig. 3 und 4 ist die Abhän gigkeit eines Spannungsabfalls von der Drehposition bezüglich eines Magnetfeldes bzw. von der Temperatur ersichtlich.The invention is explained in more detail below, reference being made to the drawing. Figure shows schematically as an exemplary embodiment a magnetic field sensitive part of a direction sensor according to the invention. In Fig. 2, a superconducting element of this sensor is illustrated in more detail. From the diagrams of FIGS . 3 and 4, the dependency of a voltage drop on the rotational position with respect to a magnetic field or on the temperature can be seen.
In Fig. 1 ist nur ein Teil einer erfindungsgemäßen Einrich tung als Schrägansicht veranschaulicht, wie sie zur Bestimmung der Magnetfeldausrichtungen z. B. in einer Tokamak-Anlage zur Kernfusion oder in anderen plasmaphysikalischen Einrichtungen eingesetzt werden kann. Die Einrichtung enthält einen allge mein mit 2 bezifferten, nachfolgend als Richtungssensor be zeichneten Meßteil. Diesem Meßteil nachgeordnete Teile zur Si gnalverarbeitung und -darstellung sowie zugeordnete mechani sche und kryotechnische Geräte sind an sich bekannt. Auf deren nähere Darstellung wurde deshalb verzichtet. Der Richtungssen sor 2 weist u. a. eine z. B. quaderförmige Trägerstruktur 3 mit zwei zueinander orthogonalen Flächen 3a und 3b auf. Auf diesen Flächen sind zwei supraleitende Elemente 4 bzw. 5 angeordnet. Diese beiden Elemente haben insbesondere eine flächenhafte Ge stalt, d. h. sie können eine deutliche Ausdehnung in zwei Di mensionen haben, während ihre Ausdehnung (Dicke) in der drit ten Dimension demgegenüber sehr gering sein kann. Die Elemente 4 und 5 weisen dann jeweils eine Flachseite 4a bzw. 5a auf, wobei diese Seiten jeweils in einer Richtung weiter ausgedehnt sind (= Hauptausdehnungsrichtung) als in der dazu senkrechten Richtung. Die supraleitenden Elemente 4 und 5 können somit ei ne steg- oder balkenartige Gestalt haben. Ihre Hauptausdeh nungsrichtungen sollen dabei Vorzugsrichtungen h1 bzw. h2 dar stellen, in denen durch das jeweilige Element bestimmte, kon stant gehaltene Ströme fließen sollen.In Fig. 1 only part of a device according to the invention device is illustrated as an oblique view of how it is used to determine the magnetic field orientations z. B. can be used in a tokamak plant for nuclear fusion or in other plasma physical devices. The device contains a general my with 2 numbered, hereinafter referred to as a direction sensor measuring part. This measuring part downstream parts for Si signal processing and display as well as associated mechanical and cryotechnical devices are known per se. For this reason, they have not been described in detail. The direction sensor 2 has a z. B. cuboid support structure 3 with two mutually orthogonal surfaces 3 a and 3 b. Two superconducting elements 4 and 5 are arranged on these surfaces. These two elements in particular have an areal Ge shape, ie they can have a clear expansion in two dimensions, while their expansion (thickness) in the third dimension can be very small. The elements 4 and 5 then each have a flat side 4 a or 5 a, these sides being each expanded further in one direction (= main direction of expansion) than in the direction perpendicular thereto. The superconducting elements 4 and 5 can thus have a web or bar-like shape. Their main directions of expansion should represent preferred directions h 1 and h 2 , in which certain, constant currents should flow through the respective element.
Jedes der supraleitenden Elemente 4 und 5 soll eine ausgepräg te Anisotropie des spezifischen elektrischen Widerstandes in Abhängigkeit von der Lage einer vorbestimmten Ebene des Ele mentes bezüglich der Ausrichtung eines Magnetfeldes zeigen. Gemäß dem dargestellten Ausführungsbeispiel sei angenommen, daß sich diese Ebene parallel zur Flachseite 4a bzw. 5a er streckt. Für diese Ebenen sind deshalb auch die Bezugszeichen der entsprechenden Flachseiten verwendet. Diese Anisotropie verhältnisse werden bei dem erfindungsgemäßen Magnetfeld-Rich tungssensor 2 zu einer Ermittlung der lokalen, d. h. am jewei ligen Element herrschenden Ausrichtung eines Magnetfeldes aus genutzt. Die zu bestimmende Ausrichtung des Magnetfeldes ist in der Figur durch eine gepfeilte, mit M bezeichnete Linie veranschaulicht.Each of the superconducting elements 4 and 5 should show a pronounced anisotropy of the specific electrical resistance depending on the position of a predetermined plane of the element with respect to the orientation of a magnetic field. According to the illustrated embodiment, it is assumed that this plane extends parallel to the flat side 4 a or 5 a. The reference symbols of the corresponding flat sides are therefore also used for these levels. These anisotropy conditions are used in the magnetic field direction sensor 2 according to the invention for determining the local, ie prevailing element of the orientation of a magnetic field. The orientation of the magnetic field to be determined is illustrated in the figure by an arrowed line denoted by M.
Zur näheren Erläuterung der Anisotropieverhältnisse wird zu nächst auf die Fig. 2 Bezug genommen, in der eines der steg förmigen supraleitenden Elemente 4 oder 5, beispielsweise das Element 4, in Schrägansicht näher veranschaulicht ist. Für das Element 5 gilt entsprechendes. Als Ausführungsbeispiel sei an genommen, daß das Element 4 aus mindestens einem auf der Trä gerstruktur 3 oder auf einer darauf aufgebrachten Zwischen schicht epitaktisch aufgewachsenen supraleitenden Dünnfilm hergestellt ist, der zu der Stegform strukturiert wird. Aus Gründen einer Begrenzung des durch die Elemente fließenden Stromes sollte ihre Querschnittsfläche q verhältnismäßig klein sein, z. B. unter 10-6 cm2 liegen. Die Länge L des stegartigen Elementes 4 (bzw. 5) liegt dabei z. B. im mm-Bereich. Die zu wählenden Maße für die Elemente sind dabei temperaturabhängig, je nachdem, wie weit die Betriebstemperatur T der Elemente von der Sprungtemperatur Tc ihres supraleitenden Materials ent fernt ist. Als Material für den Dünnfilm kann vorteilhaft ei nes der bekannten Hochtemperatursupraleitermaterialien, vor zugsweise auf Basis des Stoffsystems Bi-Sr-Ca-Cu-O ausgewählt werden. Innerhalb dieses Stoffsystems sind supraleitende Hoch- Tc-Phasen bekannt, deren Sprungtemperaturen Tc oberhalb der Siedetemperatur des flüssigen Stickstoffs LN2 von etwa 77 K liegen. Diese Phasen weisen eine ausgeprägte Kristallanisotro pie auf. Es sei angenommen, daß die a- und b-Achsen der Kri stallstruktur der gewählten Hoch-Tc-Phase in der Ebene der Flachseite 4a liegen, während die c-Kristallachse als Normale N1 senkrecht bezüglich der Flachseite anzusehen ist. Bei einem in der Vorzugsrichtung hl des stegartigen Elementes 4 parallel zur a-b-Kristallebene 4a fließenden, konstant gehaltenen Strom I1 durch einen solchen Dünnfilm ist der Spannungsabfall U1 über dem Film bzw. dem Element 4 empfindlich abhängig von der Ausrichtung der kristallographischen a-b-Ebene bezüglich der Richtung eines äußeren Magnetfeldes M. Diese Abhängigkeit ist besonders groß, wenn das Magnetfeld M etwa senkrecht zur Stromrichtung, also in Richtung der Normalen N1 steht. Aus diesem Grunde wird erfindungsgemäß das Element 4 um eine durch die Vorzugsrichtung h1 definierte Achse D1 in dem äußeren Ma gnetfeld M gedreht.For a more detailed explanation of the anisotropy relationships, reference is first made to FIG. 2, in which one of the web-shaped superconducting elements 4 or 5 , for example element 4 , is illustrated in an oblique view. The same applies to element 5 . As an exemplary embodiment, it should be assumed that the element 4 is produced from at least one superconducting thin film grown epitaxially on the carrier structure 3 or on an intermediate layer applied thereon, which is structured into the web shape. In order to limit the current flowing through the elements, their cross-sectional area q should be relatively small, e.g. B. are below 10 -6 cm 2 . The length L of the web-like element 4 (or 5 ) is z. B. in the mm range. The dimensions to be selected for the elements are temperature-dependent, depending on how far the operating temperature T of the elements is from the transition temperature T c of their superconducting material. As a material for the thin film, one of the known high-temperature superconductor materials can advantageously be selected, preferably based on the Bi-Sr-Ca-Cu-O material system. Superconducting high-T c phases are known within this material system, the transition temperatures T c of which are above the boiling point of the liquid nitrogen LN 2 of approximately 77 K. These phases have a pronounced crystal anisotropy. It is assumed that the a and b axes of the crystal structure of the selected high T c phase lie in the plane of the flat side 4 a, while the c crystal axis is to be regarded as the normal N 1 perpendicular to the flat side. With a current I 1 flowing through the thin crystal film 4 a in the preferred direction hl of the web-like element 4 parallel to the crystal plane 4 a through such a thin film, the voltage drop U 1 across the film or element 4 is sensitive depending on the orientation of the crystallographic Plane with respect to the direction of an external magnetic field M. This dependency is particularly great if the magnetic field M is approximately perpendicular to the current direction, that is to say in the direction of the normal N 1 . For this reason, the element 4 is rotated about an hour through the preferential direction defined axis D 1 1 in the outer Ma gnetfeld M according to the invention.
Bei der erfindungsgemäßen Einrichtung wird für den Meßstrom bzw. die entsprechende Stromdichte eine oberhalb des kriti schen Wertes liegende Stärke vorgesehen. Hierzu wird bei einer zunächst vorgegebenen Betriebstemperatur T die Stromstärke so gewählt, daß bei allen möglichen Ausrichtungen des Elementes 4 in dem äußeren Magnetfeld ein überkritischer Strom fließt. Dies ist dann gewährleistet, wenn der über dem Element 4 in Stromführungsrichtung abzugreifende Spannungsabfall U1 immer größer als 100 nV ist. Beobachtet wird also der von der je weiligen Ausrichtung abhängige Spannungsabfall U1. Hierbei kann der Fall auftreten, daß der zu messende Minimalwert des Spannungsabfalls zu niedrig ist, um mit der vorhandenen Meß apparatur gemessen zu werden. Dann besteht die Möglichkeit, eine höhere Betriebstemperatur T zu wählen und/oder den Meß strom zu vergrößern. Das heißt, die Stromstärke ist in Abhän gigkeit von der Feldstärke des äußeren Magnetfeldes, von der gewählten Betriebstemperatur sowie von der Empfindlichkeit der verwendeten Spannungsmeßapparatur abhängig.In the device according to the invention, a strength above the critical value is provided for the measuring current or the corresponding current density. For this purpose, the current strength is selected at an initially predetermined operating temperature T such that a supercritical current flows in the external magnetic field for all possible orientations of the element 4 . This is ensured if the voltage drop U 1 to be tapped across the element 4 in the current carrying direction is always greater than 100 nV. The voltage drop U 1 which is dependent on the respective orientation is thus observed. The case may arise here that the minimum value of the voltage drop to be measured is too low to be measured with the existing measuring apparatus. Then there is the possibility of choosing a higher operating temperature T and / or increasing the measuring current. This means that the current is dependent on the field strength of the external magnetic field, the selected operating temperature and the sensitivity of the voltage measuring device used.
Die für den erfindungsgemäßen Magnetfeld-Richtungssensor aus genutzte Winkelabhängigkeit des Spannungsabfalls U1 von der Ausrichtung in einem äußeren Magnetfeld M läßt sich aus dem Diagramm der Fig. 3 ablesen. In diesem Diagramm sind auf der Abszisse der Drehwinkel ϑ (in Grad) um die Drehachse D1, d. h. zwischen dem äußeren Magnetfeld M und der c-Achse des Dünn film-Elementes 4 (vgl. Fig. 2) und auf der Ordinate der bei einem konstant gehaltenen, überkritischen Strom I1 über dem Film in Stromführungsrichtung (h1) gemessene Spannungsabfall U1 (in µV) aufgetragen. Die dargestellte Kurve ergibt sich für die folgenden Meßparameter: Meßtemperatur T=77,03 K; magne tische Induktion B=2T des etwa senkrecht zu der Flachseite eines stegartigen Dünnfilm-Elementes 4 gerichteten Magnetfel des M; überkritischer Strom I1=5 mA durch das Element 4. Für dieses stegartige Element 4 wurde dabei eine epitaktisch auf gewachsene Schicht aus dem Hochtemperatursupraleitermaterial Bi2Sr2CaCu2O8+x verwendet. Diese Schicht hatte eine Quer schnittsfläche q von etwa 34 µm2 bei einer Dicke d von etwa 0,2 µm. Die Steglänge L betrug 2 mm. Wie aus dem Diagramm der Figur ersichtiich ist, tritt bei einem vorbestimmten Drehwin kel ϑ ein ausgeprägtes Minimum des Spannungsabfalls U1 auf, das die Ausrichtung des äußeren Magnetfeldes M bezüglich der Flachseite 4a bzw. der a-b-Ebene der Kristallstruktur des Hochtemperatursupraleitermaterials festlegt. Das Minimum liegt dabei bei ϑ ≈90°, d. h., der Spannungsabfall U1 über dem steg artigen Element 4 wird minimal, wenn die magnetische Induktion B parallel zu der a-b-Ebene des Filmes eingestellt wird. Die Genauigkeit der Winkelbestimmung ist sehr groß, da das Minimum sehr scharf ist. So bewirkt z. B. eine Abweichung von nur 0,05° aus dem Minimum eine Spannungsdifferenz von über 1 µV.The angle dependence of the voltage drop U 1 used for the magnetic field direction sensor according to the invention on the alignment in an external magnetic field M can be read from the diagram in FIG. 3. In this diagram are on the abscissa the angle of rotation ϑ (in degrees) about the axis of rotation D 1 , ie between the external magnetic field M and the c-axis of the thin film element 4 (see FIG. 2) and on the ordinate of a constant, supercritical current I 1 across the film in the current carrying direction (h 1 ) measured voltage drop U 1 (in μV). The curve shown results for the following measurement parameters: measurement temperature T = 77.03 K; magnetic induction B = 2T of the magnetic field of the M directed approximately perpendicular to the flat side of a web-like thin film element 4 ; supercritical current I 1 = 5 mA through element 4 . An epitaxially grown layer of the high-temperature superconductor material Bi 2 Sr 2 CaCu 2 O 8 + x was used for this web-like element 4 . This layer had a cross-sectional area q of about 34 microns 2 with a thickness d of about 0.2 microns. The web length L was 2 mm. As can be seen from the diagram of the figure, a pronounced minimum of the voltage drop U 1 occurs at a predetermined rotation angle ϑ, which determines the orientation of the external magnetic field M with respect to the flat side 4 a or the ab-plane of the crystal structure of the high-temperature superconductor material. The minimum is ϑ ≈90 °, ie the voltage drop U 1 across the web-like element 4 becomes minimal if the magnetic induction B is set parallel to the ab plane of the film. The accuracy of the angle determination is very high because the minimum is very sharp. So z. B. a deviation of only 0.05 ° from the minimum, a voltage difference of over 1 µV.
Wie aus dem Diagramm der Fig. 4 hervorgeht, ist der Span nungsabfall U1 auch von der jeweils gewählten Betriebstempera tur T abhängig. In dem Diagramm sind auf der Abszisse die Be triebstemperatur T (in K) und auf der Ordinate der Spannungs abfall U1 (in µV) aufgetragen. Die Meßkurve ergibt sich für das auch für die Kurve nach Fig. 3 verwendete stegartige Dünnfilm-Element 4. Das äußere Magnetfeld M mit einer Induk tion B=2T ist dabei parallel zu der a-b-Ebene gerichtet; d. h., ϑ=90°. Aus dem Kurvenverlauf ergibt sich z. B. für 77,0 K eine Steilheit dU/dT von 0,12 µV pro mK. Wegen der Tem peraturabhängigkeit des Spannungsabfalls U1 ist es erforder lich, die Betriebstemperatur T gut konstant zu halten. Vor teilhaft kann eine entsprechende Temperaturstabilität durch thermische Ankopplung an flüssigen Stickstoff (LN2) gewährlei stet werden.As can be seen from the diagram in FIG. 4, the voltage drop U 1 is also dependent on the operating temperature T selected in each case. The diagram shows the operating temperature T (in K) on the abscissa and the voltage drop U 1 (in µV) on the ordinate. The measurement curve results for the web-like thin film element 4 also used for the curve according to FIG. 3. The external magnetic field M with an induction B = 2T is directed parallel to the ab plane; ie, ϑ = 90 °. From the curve results, for. B. for 77.0 K a slope dU / dT of 0.12 µV per mK. Because of the temperature dependence of the voltage drop U 1 , it is necessary to keep the operating temperature T constant. Appropriate temperature stability can be guaranteed by thermal coupling to liquid nitrogen (LN 2 ).
Da sich mit einem einzigen stegartigen Element 4 nur eine Aus sage über die Ausrichtung des äußeren Magnetfeldes M bezüglich einer Ebene gewinnen läßt, sind für eine eindeutige Bestimmung der Ausrichtung des Magnetfeldes zwei entsprechende orthogona le Systeme erforderlich. Gemäß der Erfindung werden deshalb, wie aus Fig. 1 ersichtlich ist, die stegartigen supraleiten den Elemente 4 und 5 und damit ihre vorbestimmten Ebenen 4a bzw. 5a senkrecht zueinander angeordnet. Der in der Vorzugs richtung h1 bzw. h2 dieser Elemente zumindest annähernd in der jeweiligen Ebene 4a bzw. 5a fließende Strom wird mittels ge eigneter Regelkreise auf einem überkritischen Wert konstant gehalten, so daß dann über den beiden Elementen abhängig von der Ausrichtung der Ebenen 4a und 5a bezüglich der lokalen La ge des Magnetfeldes M jeweils eine Spannung U1 bzw. U2 ab fällt. Da man im allgemeinen versuchen wird, etwa gleiche Ele mente 4 und 5 zu verwenden, liegt bei gleichen Strömen I1=I2 dann U1 auch in etwa in derselben Größenordnung wie U2. Für die konkreten Werte von I1 und I2 ist entscheidend das E-Feld, also das Verhältnis von Spannung U1 bzw. U2 zur jeweiligen Steglänge l. Dabei nimmt die Meßgenauigkeit in dem Maße zu, wie der Quotient U1/L bzw. U2/L kleiner wird. Das heißt, der zu wählende Wert für den überkritischen Meßstrom hängt auch von der Geometrie der verwendeten Elemente 4 und 5 ab. Werte unter 100 mA, beispielsweise zwischen 1 und 10 mA sind dabei aus Gründen einer Vermeidung von eventuellen Erwärmungen als günstig anzusehen. Sieht man Elemente 4 und 5 gleicher Geome trie vor, so folgt daraus der weitere Vorteil, daß außer den Regeleinrichtungen lediglich eine Konstanzstromquelle sowie zwei Voltmeter mit einer Auflösung von z. B. zwischen etwa 100 nV und 10 µV benötigt werden. Bei konstant gehaltenen Wer ten von I1 und I2 ergeben sich also über den beiden Elementen die durch diese Ströme bestimmten Spannungsabfälle U1 und U2. Die Betriebstemperatur der supraleitenden Elemente 4 und 5 wird dabei auf einen festen Wert eingeregelt, der unterhalb der Sprungtemperatur Tc des Bi2Sr2CaCu2O8+x-Materials liegt, beispielsweise auf 77,0 K gehalten wird. Die Trägerstruktur 3 ist derart gelagert, daß diese um die zwei orthogonalen Dreh achsen D1 und D2 frei gedreht werden kann. Vorteilhaft ist hierbei eine geregelte Drehung gleichzeitig um die beiden Ach sen. Die Magnetfeldausrichtung ist dann durch die Schnittlinie der Ebenen der Flachseiten 4a und 5a definiert, wenn über den beiden Elementen 4 und 5 der jeweilige minimale Spannungsab fall U1 bzw. U gemessen wird.Since with a single web-like element 4, only one statement about the orientation of the external magnetic field M with respect to a plane can be obtained, two corresponding orthogonal systems are required for a clear determination of the orientation of the magnetic field. According to the invention, therefore, as can be seen from FIG. 1, the web-like superconductors of the elements 4 and 5 and thus their predetermined planes 4 a and 5 a are arranged perpendicular to one another. The current flowing in the preferred direction h 1 or h 2 of these elements at least approximately in the respective plane 4 a or 5 a is kept constant at a supercritical value by means of suitable control loops, so that then over the two elements depending on the orientation the levels 4 a and 5 a with respect to the local position of the magnetic field M, a voltage U 1 and U 2 respectively falls. Since one will generally try to use approximately the same elements 4 and 5 , for the same currents I 1 = I 2 then U1 is also approximately of the same order of magnitude as U 2 . The E field, i.e. the ratio of voltage U 1 and U 2 to the respective web length l, is decisive for the specific values of I 1 and I 2 . The measurement accuracy increases as the quotient U 1 / L or U 2 / L becomes smaller. This means that the value to be selected for the supercritical measuring current also depends on the geometry of the elements 4 and 5 used . Values below 100 mA, for example between 1 and 10 mA, are to be regarded as favorable in order to avoid possible heating. If you look at elements 4 and 5 of the same geometry, there is the further advantage that, apart from the control devices, only one constant current source and two voltmeters with a resolution of z. B. between about 100 nV and 10 µV are required. If the values of I 1 and I 2 are kept constant, the voltage drops U 1 and U 2 determined by these currents result across the two elements. The operating temperature of the superconducting elements 4 and 5 is regulated to a fixed value which is below the transition temperature T c of the Bi 2 Sr 2 CaCu 2 O 8 + x material, for example kept at 77.0 K. The support structure 3 is mounted such that it can be freely rotated about the two orthogonal axes of rotation D 1 and D 2 . A controlled rotation at the same time around the two axes is advantageous here. The magnetic field orientation is then defined by the intersection of the planes of the flat sides 4 a and 5 a when the respective minimum voltage drop U 1 and U is measured over the two elements 4 and 5 .
Gemäß einem konkreten Ausführungsbeispiel dient als Träger struktur 3 vorteilhaft ein bekannter Kühlkopf, mit dessen Hil fe die supraleitenden Elemente 4 und 5 aus Bi2Sr2CaCu2O8+x auf der erforderlichen konstanten Betriebstemperatur zu halten sind. Ein solcher nach dem Refrigerator-Prinzip arbeitender Kühlkopf ist aus "Phys. Bl.", Vol. 46, Nr. 11, 1990, Seite A-835 zu entnehmen. Die Anordnung der Elemente 4 und 5 auf dem Kühlkopf erfolgt derart, daß die Drehachse D1 mit der Flächen normalen N2 der Flachseite 5a des Elementes 5 zusammenfällt. Die Drehachse D2 wird entsprechend durch die Flächennormale N1 der Flachseite 4a des Elementes 4 festgelegt. Die Elemente 4 und 5 werden dabei so orientiert, daß ihre Vorzugsrichtungen h1 und h2 eine gemeinsame Ebene festlegen. Der Kühlkopf kann vorteilhaft so gelagert sein, daß er um diese Achsen drehbar ist.According to a specific embodiment, a known cooling head is advantageously used as the support structure 3 , with the aid of which the superconducting elements 4 and 5 made of Bi 2 Sr 2 CaCu 2 O 8 + x are to be kept at the required constant operating temperature. Such a cooling head operating according to the refrigerator principle can be found in "Phys. Bl.", Vol. 46, No. 11, 1990, page A-835. The arrangement of the elements 4 and 5 on the cooling head is such that the axis of rotation D 1 coincides with the surfaces normal N 2 of the flat side 5 a of the element 5 . The axis of rotation D 2 is correspondingly determined by the surface normal N 1 of the flat side 4 a of the element 4 . The elements 4 and 5 are oriented so that their preferred directions h 1 and h 2 define a common plane. The cooling head can advantageously be mounted so that it can be rotated about these axes.
Die Auffindung der Magnetfeldausrichtung erfolgt beispielswei se dadurch, daß der Spannungsabfall U2 über dem Element 5 über eine volle Umdrehung um die Drehachse D2 integriert wird, an schließend eine Drehung um die Achse D1 um einen kleinen Win kel ϑ ausgeführt wird und erneut der am Element 5 abzugreifen de Spannungsabfall U2 über eine volle Umdrehung um die Achse D2 integriert wird. Durch Vergleich der integrierten Spannun gen und entsprechende Regelung der Winkelposition bezüglich der Achse D1 kann nun der integrale Spannungsabfall über dem Element 5 minimiert werden. In einem zweiten Schritt wird dann der Spannungsabfall U1 über dem Element 4 durch Drehung des Kühlkopfes um die Achse D2 entsprechend minimiert. Das heißt, der erfindungsgemäße Richtungssensor muß zwei unabhängige Re gelsysteme für Drehungen um die Achsen D1 und D2 aufweisen. Der aufgezeigte Weg zur Auffindung der Winkelpositionen, an denen die Spannungsabfälle U1 und U2 ihre Minimalwerte anneh men, ist insbesondere in dem Fall von Vorteil, wenn die Win kelabhängigkeit keine monotone Funktion ist. Dies kann z. B. für ein Hoch-Tc-Supraleitermaterial auf Basis des Stoffsystems Y-Ba-Cu-O zutreffen.The magnetic field alignment is found, for example, by integrating the voltage drop U 2 over the element 5 over a full revolution about the axis of rotation D 2 , then rotating about the axis D 1 by a small angle und and again the de voltage drop U 2 to be tapped from element 5 is integrated over a full revolution about the axis D 2 . By comparing the integrated voltages and corresponding regulation of the angular position with respect to axis D 1 , the integral voltage drop across element 5 can now be minimized. In a second step, the voltage drop U 1 across the element 4 is correspondingly minimized by rotating the cooling head about the axis D 2 . That is, the direction sensor according to the invention must have two independent control systems for rotations about the axes D 1 and D 2 . The path shown for finding the angular positions at which the voltage drops U 1 and U 2 assume their minimum values is particularly advantageous in the case when the angle dependency is not a monotonous function. This can e.g. B. apply to a high-T c superconductor material based on the material system Y-Ba-Cu-O.
Ansonsten läßt sich eine gleichzeitige Regelung beider Regel systeme vorsehen. Dabei ist es im Hinblick auf eine Auffindung der Minima der Spannungswerte vorteilhaft, wenn zu einer An näherung an das jeweilige Minimum mit pendelartigen Drehbewe gungen mit kleinem Drehwinkel ϑ um die Ausgangsposition begon nen wird. Auf diese Weise läßt sich leichter eindeutig erken nen, in welcher Drehrichtung das aufzufindende Minimum des Spannungsabfalles zu erwarten ist.Otherwise, both rules can be regulated simultaneously provide systems. It is in terms of detection the minima of the voltage values are advantageous if to an An Approaching the respective minimum with pendulum-like rotation started with a small angle of rotation ϑ around the starting position will. This makes it easier to identify clearly in which direction of rotation the minimum of Voltage drop is to be expected.
Solche pendelartigen Drehbewegungen sind auch dann von Vor teil, wenn man die Symmetrie der aus Fig. 3 ersichtlichen U1(ϑ)-Kurve zu einer weiteren Steigerung der Meßgenauigkeit nutzen will.Such pendulum-like rotary movements are also part of before if you want to use the symmetry of the U1 (ϑ) curve shown in FIG. 3 to further increase the measuring accuracy.
Bei Hoch-Tc-Supraleitermaterialien wie z. B. im Fall des Bi2Sr2CaCu2Ox kann der Spannungsabfall U1 oder U2 über dem Meßelement 4 bzw. 5 bzw. der entsprechende Widerstand unab hängig vom Winkel zwischen einem Magnetfeld und der Stromfüh rungsrichtung sein, sofern das Magnetfeld in die kristallo graphische a-b-Ebene weist (vgl. z. B. "Physica C", Vol. 167, 1990, Seiten 278 bis 286). In einem solchen Fall läßt sich bei der erfindungsgemäßen Sensoreinrichtung der Spannungsabfall über den beiden Meßelementen unabhängig voneinander minimie ren. Das Auffinden der Magnetfeldausrichtung ist dann dement sprechend erleichtert.With high-T c superconductor materials such. B. in the case of Bi 2 Sr 2 CaCu 2 O x , the voltage drop U 1 or U 2 across the measuring element 4 or 5 or the corresponding resistance independent of the angle between a magnetic field and the direction of current can be provided that the magnetic field in the crystallographic graph shows the ab level (see, for example, "Physica C", vol. 167, 1990, pages 278 to 286). In such a case, the voltage drop across the two measuring elements can be minimized independently of one another in the sensor device according to the invention. Finding the magnetic field alignment is then correspondingly easier.
Ist einmal eine Magnetfeldausrichtung in der vorstehend be schriebenen Weise ermittelt, so kann auch eine zeitliche Va riation der Magnetfeldausrichtung oder eine mit einer transla torischen Bewegung des erfindungsgemäßen Richtungssensors ver bundene Änderung der Magnetfeldausrichtung bestimmt werden. Hierfür muß man den Spannungsabfall U2 über das stegartige su praleitende Element 5 mittels Drehung um die Achse D2 und gleichzeitig den Spannungsabfall U1 an dem stegartigen Element 4 mittels Drehung um die Achse D1 jeweils minimieren.Once a magnetic field orientation has been determined in the manner described above, a temporal variation of the magnetic field orientation or a change in the magnetic field orientation associated with a translatory movement of the direction sensor according to the invention can also be determined. For this you have to minimize the voltage drop U 2 across the web-like su praleitende element 5 by rotating about the axis D 2 and at the same time the voltage drop U 1 on the web-like element 4 by rotating about the axis D 1 .
Gemäß dem gewählten Ausführungsbeispiel wurde davon ausgegan gen, daß die stegartigen supraleitenden Elemente 4 und 5 aus epitaktischen Dünnfilmen eines Hochtemperatursupraleitermate rials bestehen. Die Erfindung ist jedoch auf die Verwendung entsprechender Materialien nicht beschränkt, obwohl sie als besonders geeignet anzusehen sind. Der Grund hierfür ist in deren Kristallanisotropie zu sehen, die eine Anisotropie des spezifischen Widerstandes bezüglich der Ausrichtung eines an gelegten Magnetfeldes zur Folge hat. Generell sind alle supra leitenden anisotropen Elemente als für den erfindungsgemäßen Richtungssensor geeignet anzusehen, sofern die Winkelabhängig keit der Meßgröße hinreichend scharf und eindeutig ist. So können als supraleitende Elemente auch Stapel- oder Mehrlagen anordnungen aus dünnen Schichten aus supraleitendem und nicht-supraleitendem Material vorgesehen werden. Das nicht-su praleitende Material kann dabei isolierend oder halbleitend sein. Ein Beispiel wäre eine Mehrlagenanordnung alternierend aus Schichten eines Hoch-Tc-Supraleitermaterials des Stoffsy stems Y-Ba-Cu-O und Schichten aus SrTiO3. Für entsprechende Mehrlagenanordnungen sind insbesondere auch die sogenannten "klassischen", mit flüssigem Helium (LHe) zu kühlenden Supra leitermaterialien wie z. B. Nb, NbTi oder Nb3Sn zu verwenden. Für solche Mehrlagenanordnungen können auch Lagen aus ver schiedenen Supraleitermaterialien vorgesehen werden (vgl. z. B. "Physica C", Vol. 175, 1991, Seiten 187 bis 191). Aus derarti gen Mehrlagenanordnungen lassen sich in bekannter Weise aniso trope Elemente aufbauen, wie sie für die erfindungsgemäßen Sensoreinrichtungen erforderlich sind.According to the selected embodiment, it was assumed that the web-like superconducting elements 4 and 5 consist of epitaxial thin films of a high-temperature superconductor material. However, the invention is not restricted to the use of appropriate materials, although they are to be regarded as particularly suitable. The reason for this can be seen in their crystal anisotropy, which results in an anisotropy of the specific resistance with respect to the alignment of a magnetic field. In general, all superconducting anisotropic elements are to be regarded as suitable for the direction sensor according to the invention, provided that the angle-dependent speed of the measured variable is sufficiently sharp and clear. Thus, stacked or multilayered arrangements of thin layers of superconducting and non-superconducting material can also be provided as superconducting elements. The non-su pre-conductive material can be insulating or semi-conductive. An example would be a multilayer arrangement alternating from layers of a high-T c superconductor material of the Y-Ba-Cu-O material system and layers of SrTiO 3 . For corresponding multilayer arrangements, the so-called "classic" superconductor materials to be cooled with liquid helium (LHe), such as, for. B. Nb, NbTi or Nb 3 Sn to use. Layers made of different superconductor materials can also be provided for such multilayer arrangements (cf., for example, "Physica C", Vol. 175, 1991, pages 187 to 191). From such multilayer arrangements, anisotropic elements can be constructed in a known manner, as required for the sensor devices according to the invention.
Claims (10)
- - zwei in einer Vorzugsrichtung (h1, h2) stromdurchflossene supraleitende Elemente (4, 5), die jeweils eine ausgeprägte Anisotropie ihres elektrischen Widerstandes in Abhängigkeit von der Lage einer vorbestimmten Ebene (4a, 5a) bezüglich der Ausrichtung des Magnetfeldes (M) zeigen, wobei die Stromführung jeweils zumindest annähernd in dieser Ebene (4a bzw. 5a) erfolgt, welche supraleitenden Elemente (4, 5) so angeordnet sind, daß die vorbestimmten Ebenen (4a, 5a) or thogonal zueinander ausgerichtet sind,
- - Mittel zur Kühlung der supraleitenden Elemente (4, 5) auf eine vorbestimmte Betriebstemperatur (T) unterhalb der Sprungtemperatur ihres supraleitenden Materials,
- - Mittel zur Drehung der supraleitenden Elemente (4, 5) um pa rallel zu den Vorzugsrichtungen (h1, h2) liegende Achsen (D2, D1) sowie
- - Mittel zur Messung des sich über jedem supraleitenden Ele ment (4, 5) in der jeweiligen Vorzugsrichtung (h1, h2) er gebenden Spannungsabfalls (U1, U2), wenn in der jeweiligen Vorzugsrichtung (h1, h2) ein konstant gehaltener, überkriti scher Strom (I1, I2) fließt.
- - Two superconducting elements ( 4 , 5 ) through which current flows in a preferred direction (h 1 , h 2 ), each of which has a pronounced anisotropy of their electrical resistance as a function of the position of a predetermined plane ( 4 a, 5 a) with respect to the orientation of the magnetic field ( M) show, where the current flow is at least approximately in this plane ( 4 a or 5 a), which superconducting elements ( 4 , 5 ) are arranged so that the predetermined planes ( 4 a, 5 a) are aligned orthogonally to one another are,
- Means for cooling the superconducting elements ( 4 , 5 ) to a predetermined operating temperature (T) below the transition temperature of their superconducting material,
- - Means for rotating the superconducting elements ( 4 , 5 ) about pa rallel to the preferred directions (h 1 , h 2 ) lying axes (D 2 , D 1 ) and
- - means for measuring the to management over each superconducting Ele (4, 5) in the respective preferred direction (h 1, h 2) he imaging the voltage drop (U 1, U 2), when in the respective preferred direction (h 1, h 2) a constant, supercritical current (I 1 , I 2 ) flows.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| DE4201501A DE4201501A1 (en) | 1991-04-26 | 1992-01-21 | Magnetic field direction sensor - has mutually orthogonal superconductive elements exhibiting resistance anisotropy |
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
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| DE4201501A DE4201501A1 (en) | 1991-04-26 | 1992-01-21 | Magnetic field direction sensor - has mutually orthogonal superconductive elements exhibiting resistance anisotropy |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| DE4201501A1 true DE4201501A1 (en) | 1992-10-29 |
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ID=25903190
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| DE4201501A Withdrawn DE4201501A1 (en) | 1991-04-26 | 1992-01-21 | Magnetic field direction sensor - has mutually orthogonal superconductive elements exhibiting resistance anisotropy |
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| DE (1) | DE4201501A1 (en) |
Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP0301902A2 (en) * | 1987-07-29 | 1989-02-01 | Sharp Kabushiki Kaisha | Method and device for sensing a magnetic field with use of a magneto-resistive property of a superconductive material |
| EP0323187A2 (en) * | 1987-12-25 | 1989-07-05 | Sharp Kabushiki Kaisha | Superconductive magneto-resistive device |
-
1992
- 1992-01-21 DE DE4201501A patent/DE4201501A1/en not_active Withdrawn
Patent Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP0301902A2 (en) * | 1987-07-29 | 1989-02-01 | Sharp Kabushiki Kaisha | Method and device for sensing a magnetic field with use of a magneto-resistive property of a superconductive material |
| EP0323187A2 (en) * | 1987-12-25 | 1989-07-05 | Sharp Kabushiki Kaisha | Superconductive magneto-resistive device |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| PETERSEN, A., KOCH, J.: Anwendungen der Magnetfeldsensoren KMZ 10. In: Valvo, Tech- nische Information Nr.861105, 1986, S.1-17 * |
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| 8110 | Request for examination paragraph 44 | ||
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