DE4317966C2 - Squid-Einrichtung mit einer supraleitenden Detektionsfläche - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine SQUID-Einrichtung mit einer supraleitenden Fläche vorgegebener Größe zur Detek­ tion eines magnetischen Feldes. Eine solche SQUID-Einrich­ tung zeigt die EP 0 286 891 B1.

Mit supraleitenden Quanten-Interferometern, die auch als "SQUIDs" (Abkürzung von: Superconducting QUantum Inter­ ference Devices) bezeichnet werden, sind insbesondere äußerst schwache magnetische Felder oder Feldgradienten zu erfassen (vgl. z. B. "IEEE Trans. El. Dev.", Vol. ED-27, No. 10, Okt. 1980, Seiten 1896 bis 1908). Als bevor­ zugtes Anwendungsgebiet für SQUIDs wird deshalb die medi­ zinische Diagnostik angesehen, da die dort auftretenden biomagnetischen Signale, z. B. die vom menschlichen Herzen oder vom menschlichen Gehirn erzeugten Magnetfelder, nur Feldstärken im pT-Bereich hervorrufen ("Magnetokardiogra­ phie" bzw. "Magnetoenzephalographie"). Ein weiteres Anwen­ dungsgebiet für SQUIDs ist die zerstörungsfreie Werkstoff­ prüfung.

Eine entsprechende Einrichtung zur Erfassung und Aufberei­ tung derartiger schwacher Magnetfelder enthält mindestens einen Meß- oder Detektionskanal, der wenigstens eine als Gradiometer oder Magnetometer gestaltete Antenne, gege­ benenfalls eine Koppelspule, einen SQUID-Kreis mit in ihn integrierten Josephson-Kontakten, im allgemeinen eine Modulationsspule, sowie eine Verstärker- und Auswerteelek­ tronik aufweist. Bis auf die Verstärker- und Auswerteelek­ tronik sind die genannten Teile dabei in einem Kryosystem untergebracht, um in ihnen supraleitende Betriebsbedingun­ gen zu ermöglichen. Die Antenne weist mindestens eine supraleitende Detektionsschleife mit einer oder mehreren Windungen zur Erfassung des Magnetfeldes der zu detek­ tierenden Feldquelle auf. Das entsprechende Meßsignal ge­ langt dann in den SQUID-Kreis. Die Detektionsschleife kann auch in den SQUID-Kreis integriert sein (vgl. z. B. "IEEE Trans. Magn.", Vol. MAG-19, No. 3, Mai 1983, Sei­ ten 648 bis 651). Zur Messung des in den SQUID-Kreis ein­ gekoppelten magnetischen Flusses oder von Flußgradienten werden sowohl RF-SQUIDs (radio-frequency- bzw. Hochfre­ quenz-SQUIDs) als auch DC-SQUIDs (direct-current- bzw. Gleichstrom-SQUIDs) eingesetzt. Eine Meßvorrichtung mit einer Vielzahl von entsprechend ausgestalteten Meßkanälen geht aus "Cryogenics", Vol. 29, Aug. 1989, Seiten 809 bis 813 hervor. Eine SQUID-Einrichtung mit einem einzi­ gen DC-SQUID und einer supraleitenden Fläche vorbestimm­ ter geometrischer Abmessungen ist der eingangs genannten EP-B zu entnehmen.

Derartige SQUID-Meßeinrichtungen sind jedoch nicht nur extrem empfindlich bezüglich der zu messenden, beispiels­ weise biomagnetischen Felder geringer Feldstärke, sondern auch hinsichtlich magnetischer Störfelder. Es sind deshalb Maßnahmen zu einer Störunterdrückung der Störfelder von mehreren Größenordnungen im Vergleich zu den detektieren­ den Feldsignalen erforderlich. Hierbei hat man insbesonde­ re die Wahl der Aufteilung entsprechender Störfeldunterdrückungsmaßnahmen einerseits auf Abschirmmaßnahmen in Ge­ stalt einer geschlossenen Abschirmkammer aus Metall und ande­ rerseits auf Kompensationsmaßnahmen z. B. in Gestalt von Gra­ diometern und/oder von zusätzlichen Referenzkanälen. Dabei werden vielfach die SQUIDs räumlich von der eigentlichen Feldantenne getrennt angeordnet und supraleitend abgeschirmt.

Aus "IBM Technical Disclosure Bulletin", Vol. 29, No. 2, Juli 1986, Seite 510, ist eine Magnetometer-Einrichtung zu entneh­ men, die N kettenförmig in Serie geschaltete SQUIDs mit je­ weils zwei Josephson-Kontakten aufweist. Jedes dieser SQUIDs ist induktiv an eine zugeordnete Koppelspule gekoppelt. Die somit N Koppelspulen sind als Teil eines Eingangsschaltkrei­ ses ebenfalls in Serie geschaltet. Dieser Eingangsschaltkreis umfasst weiterhin eine Serienschaltung von N supraleitenden Eingangsspulen zur Magnetfelddetektion. Mit der Serienschal­ tung der SQUIDs wird zwar ein verbessertes Signal-zu-Rausch- Verhältnis erreicht; jedoch bedingt die Gefahr von uner­ wünschten Interferenzen zwischen den gekoppelten SQUIDs, daß weit auseinanderliegende Josephson-Oszillationsfrequenzen vorgesehen werden oder besondere Kopplungsfilter bezüglich des Eingangsschaltkreises vorhanden sind.

Seit einiger Zeit wird auch versucht, mit metalloxidischen Supraleitermaterialien hoher Sprungtemperatur von insbesonde­ re über 77 K SQUIDs auszubilden (vgl. z. B. die genannte EP- B). Solche SQUIDs erfordern wegen der starken kristallinen Anisotropie des Materials epitaktische Herstellungsverfahren. Dann ist jedoch eine räumliche Trennung zwischen einer feld­ sensitiven Antenne und dem SQUID wie bei dem aus dem IBM Technical Disclosure Bulletin entnehmbaren Magnetometer nur schwer ausführbar. Man bevorzugt deshalb bei Verwendung von Hoch-T_c-Supraleitermaterialien Ausführungsformen von SQUIDs mit integrierter Antenne, d. h. SQUIDs, deren SQUID-Schleife zugleich als feldsensitive Antenne dient.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die SQUID-Ein­ richtung der eingangs genannten Art dahingehend auszugestal­ ten, daß ihre Störfeldempfindlichkeit weiter verringert ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß mit der Fläche mehrere in Reihe geschaltete SQUIDs ausgebildet sind, die jeweils ein Koppelloch mit zwei zugeordneten Jo­ sephson-Kontakten aufweisen.

Bei den erfindungsgemäßen Maßnahmen ist die bekannte Tatsache berücksichtigt, daß die Signalempfindlichkeit eines SQUIDs nicht beliebig erhöht werden kann, z. B. mit einer Flußfokussierung oder mittels eines Flußtransformators. Vielmehr sind durch den detektierten Störpegel Grenzen gesetzt. Zum einen steigt der Rauschpegel eines SQUIDs mit dem eingefangenen Störfluß an; und zum anderen ver­ ringert sich das von dem SQUID erzeugte Signal bis auf Null für den Fall von Störflüssen, die in etwa die Grö­ ßenordnung eines Flußquants ϕ₀ erreichen. Mit den erfin­ dungsgemäßen Maßnahmen werden diese Schwierigkeiten vor­ teilhaft umgangen, indem man mehrere SQUIDs in Serie schaltet, wobei jedes einzelne SQUID eine verhältnismäßig geringe Empfindlichkeit auch bezüglich eines Störflusses haben kann.

Der in einem SQUID mit Flußfokussierung von einem magneti­ schen Feldsignal mit einer magnetischen Induktion B her­ vorgerufene Fluß ist bekanntlich proportional nicht nur zur Induktion B, sondern auch zur effektiven Detektions­ fläche A_e des SQUIDs. Diese Fläche A_e ist abhängig von der Ausdehnung der gesamten detektierenden Fläche und von der Größe des in ihr angeordneten Koppelloches. Unterteilt man nun erfindungsgemäß die gesamte detektierende Fläche in eine jedem SQUID zugeordnete Teilfläche, so nimmt die effektive Fläche A'_e eines einzelnen SQUIDs entsprechend der Anzahl der Unterteilungen (= Anzahl der SQUIDs) bei beibehaltener Koppellochgröße ab. Durch eine hinreichend große Anzahl von Unterteilungen läßt sich dann wegen der vorerwähnten Abhängigkeit des SQUID-Flusses von der ef­ fektiven Fläche vorteilhaft gewährleisten, daß in jedes SQUID nur ein Störfluß eingekoppelt werden kann, der deutlich unter der Größe eines Flußquantes ϕ₀ liegt. Summiert man die effektiven Flächen A'_e aller SQUIDs, so wird in der erfindungsgemäßen SQUID-Einrichtung ein Ge­ samtfluß erzeugt, der annähernd dem eines einzigen hoch­ empfindlichen SQUIDs mit der gesamten detektierenden Flä­ che entspricht. Bei der erfindungsgemäßen SQUID-Einrich­ tung addieren sich die resultierenden elektrischen Span­ nungs- oder Stromsignale wegen der Reihenschaltung der SQUIDs.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen SQUID- Einrichtung gehen aus den abhängigen Ansprüchen hervor.

Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird nachfolgend auf die schematische Zeichnung Bezug genommen, in deren Fig. 1 eine bekannte SQUID-Einrichtung veranschaulicht ist. Aus Fig. 2 geht in entsprechender Darstellung eine Ausbildungsmöglichkeit einer erfindungsgemäßen SQUID-Ein­ richtung hervor. In den Figuren sind sich entsprechende Teile mit denselben Bezugszeichen versehen.

Die erfindungsgemäße SQUID-Einrichtung kann vorteilhaft mit einer supraleitenden Fläche ausgebildet werden, die aus einem Dünnfilm aus metalloxidischem Hoch-T_c-Supralei­ termaterial besteht. Insbesondere wird eines der be­ kannten Materialien wie z. B. aus dem Stoffsystem Y-Ba-Cu-O oder Bi-Sr-Ca-Cu-O ausgewählt, dessen Sprungtemperatur T_c über der Siedetemperatur des flüssigen Stickstoffs von 77 K liegt. Aufgrund der kristallinen Anisotropie des Ma­ terials wird dieses mittels eines bekannten Epitaxiever­ fahrens auf einer hierfür geeigneten Substratoberfläche abgeschieden.

Die Gestaltung der erfindungsgemäßen SQUID-Einrichtung kann unter dem Gesichtspunkt einer Flußfokussierung erfol­ gen. D. h., die SQUID-Einrichtung ist dann nach Art der sogenannten integrierten SQUIDs ausgeführt (vgl. z. B. "IEEE Trans. Magn.", Vol. MAG-19, No. 3, Mai 1983, Seiten 648 bis 651). Stattdessen ist ebensogut für die erfin­ dungsgemäße SQUID-Einrichtung eine Flußeinkopplung mittels eines Flußtransformators möglich (vgl. z. B. "IEEE Trans. Magn.", Vol. MAG-17, No. 1, Jan. 1981, Seiten 400 bis 403). Bei der Gestaltung der SQUID-Einrichtung läßt sich vorteilhaft von einem bekannten Aufbau ausgehen (vgl. die eingangs genannte EP-B-0 286 891), der in Fig. 1 als Aufsicht schematisch angedeutet ist. Hierzu ist auf einem Substrat 2 ein allgemein mit 3 bezeichnetes DC-SQUID ausgebildet, in dessen SQUID-Schleife zwei jeweils durch eine verstärkte Linie angedeutete Josephson-Kontakte 4a und 4b integriert sind. Das SQUID weist eine beispielswei­ se durch Lithographieverfahren strukturierte supraleitende Fläche 5 mit zwei verhältnismäßig großflächigen Teilflä­ chen 5a und 5b auf, die eine Querausdehnung b haben. Diese Teilflächen sind im wesentlichen durch eine streifenför­ mige Mittelzone 6 beabstandet. Lediglich zwei parallel zueinander in einem Abstand a verlaufende, stegartige Lei­ terstreifen 7a und 7b verbinden die Teilflächen 5a und 5b über die Mittelzone 6 hinweg. Es ergibt sich so zwischen den Leiterstreifen 7a und 7b ein Koppelloch 8 der Queraus­ dehnung a. In den Leiterstreifen 7a und 7b sind die Jo­ sephson-Kontakte 4a und 4b des SQUIDs ausgebildet, dessen SQUID-Schleife durch die das Koppelloch 8 umgebenden supra­ leitenden Flächenteile gebildet ist. Über das SQUID 3 kann ein Bias-Strom I geleitet werden, der z. B. der Teilfläche 5a an einer Anschlußstelle 9a zugeführt und von der Teil­ fläche 5b an einer Anschlußstelle 9b wieder abgenommen wird. Mit den Teilflächen 5a und 5b wird eine B-Feld-Kom­ ponente B eines zu detektierenden Feldsignals registriert, das zu entsprechenden Strömen in den Teilflächen führt. Bei dieser Ausführungsform eines SQUIDs 3 ist die effek­ tive Fläche proportional zu dem Produkt a.b.

Mit der supraleitenden Fläche 5 gemäß Fig. 1 werden unter Einhaltung der vorgegebenen Abmessungen erfindungsgemäß mehrere, vorzugsweise mindestens drei, insbesondere min­ destens fünf DC-SQUIDs hergestellt, die hintereinander in Reihe geschaltet sind. Eine entsprechende Ausführungs­ form einer solchen SQUID-Einrichtung ist in Fig. 2 sche­ matisch veranschaulicht und allgemein mit 10 bezeichnet. Ihre ursprünglich rechteckige supraleitende Fläche 5 mit einer Seitenausdehnung b ist mittels zweier von gegenüber­ liegenden Seitenrändern 14a und 14b kammartigen ineinan­ dergreifenden Schlitzungen 11a und 11b so strukturiert, daß sich eine im wesentlichen mäanderförmige Leiterbahn 12 ergibt. Die Schlitzungen 11a und 11b erstrecken sich dabei von dem jeweiligen Seitenrand aus bis über mindestens eine gedachte Linie 13 in Richtung auf den gegenüberliegenden Seitenrand. Diese vorzugsweise eine gedachte Linie 13 kann insbesondere die Mittellinie der Fläche 5 bezüglich deren Seitenränder 14a und 14b sein. Aufgrund der bis über diese Mittellinie 13 hinausreichenden Schlitzungen 11a und 11b hat die aus der Fläche 5 gebildete Leiterbahn 12 in einem diese Mittellinie 13 einschließenden Bereich eine Strei­ fenform. In diesem mit 13a bezeichneten Bereich um die Mittellinie 13 sind die beispielsweise etwa quadratischen Koppellöcher 8 _j und die Josephson-Kontakte 4 _j der ein­ zelnen SQUIDs 3 _j der SQUID-Einrichtung 10 ausgebildet (mit 1 ≦ j ≦ N; N = Anzahl der SQUIDs). Die sich um die jeweiligen Koppellöcher 8 _j erstreckenden supraleitenden Flächenteile stellen auch hier die SQUID-Schleifen der jeweiligen SQUIDs 3 _j mit Flußfokussierung dar. Außerhalb des Bereichs 13a um die Mittellinie 13 ist die Leiterbahn 12 möglichst großflächig gehalten, um so einen entspre­ chend großen Anteil eines zu detektierenden B-Feldes er­ fassen zu können. Lediglich am Anfang und am Ende der Reihenschaltung ist die Leiterbahn als schmaler Leiter­ streifen ausgeführt, der einen Anschluß 9a bzw. 9b z. B. für einen Bias-Strom I bildet. Die SQUID-Einrichtung 10 kann aber auch mit einer Spannungs-Bias betrieben werden.

Selbstverständlich sind statt der dargestellten Ausfüh­ rungsform der supraleitenden Fläche in Form einer mäan­ derförmigen Leiterbahn 12 auch andere Flächen- oder Lei­ terkonfigurationen möglich, die die erfindungsgemäße Kette aus mehreren hintereinandergereihten SQUIDs 3 _j mit jeweils begrenzter Empfindlichkeit gewährleisten. So können z. B. mehrere, beispielsweise parallele gedachte Linien 13 vor­ gesehen werden, in deren Bereichen die Koppellöcher 8 _j und die Josephson-Kontakte 4 _j liegen.

Bei der Ausführungsform der SQUID-Einrichtung 10 nach Fig. 2 ist die effektive Fläche jedes einzelnen SQUIDs 3 _j proportional zu (b/N).a', wobei a' die Seitenausdehnung jedes Koppellochs 8 _j ist. Geht man davon aus, daß die Fläche des Koppelloches 8 gemäß Fig. 1 ungefähr gleich der Fläche von allen Koppellöchern 8 _j (mit j = 1 . . . N) nach Fig. 2 ist, so gilt ungefähr:
a' (gemäß Fig. 2) ≈ a (gemäß Fig. 1). Dann wird für alle SQUIDs 3 _j (mit j = 1 . . . N) insgesamt eine effektive Fläche erhalten, die ungefähr proportional zu N.(b/N).a = b.a (gemäß Fig. 1) ist. D. h., durch die Verwendung mehrerer, weniger empfindlicher SQUIDs in einer erfindungsgemäßen Anordnung kann dennoch eine SQUID-Einrichtung aufgebaut werden, deren gesamte Signalempfindlichkeit gegenüber bekannten hochempfindlichen Ausführungsformen bei etwa gleicher Größe praktisch unverändert bleibt.

Bei dem in Fig. 2 dargestellten Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen SQUID-Einrichtung 10 wurde davon ausge­ gangen, daß als supraleitendes Material ein bekanntes Hoch-T_c-Material vorgesehen ist. Josephson-Kontakte mit diesem Material werden in an sich bekannter Weise ausge­ bildet. Besonders vorteilhaft ist es, wenn man die Jo­ sephson-Kontakte als sogenannte Korngrenzen-Kontakte her­ stellt. Hierzu werden Störungen in der Oberflächenstruktur des Substrates 2 ausgenutzt. Solche Störungen können durch bi-epitaxialfähige Oberflächen bzw. durch bi-kristalline Substrate erzeugt werden (vgl. z. B. die WO-A-92/16974). Es zeigt sich nämlich, daß an der Grenzlinie zwischen Flächen verschiedener Kristallorientierung besonders gut Joseph­ son-Kontakte mit reproduzierbaren supraleitenden Eigen­ schaften entstehen können. Auch Stufenkanten in gestuften Substraten sind zur Herstellung entsprechender Korngren­ zen-Kontakte geeignet (vgl. z. B. DE-OS 42 12 028). Vorzugs­ weise kann die in Fig. 2 veranschaulichte Linie 13 eine derartige Grenz- oder Störungslinie darstellen, an welcher die gewünschten Josephson-Kontakte 4 _j in Form von Korn­ grenzen-Kontakten ausgebildet sind. Allgemein ist es vor­ teilhaft, wenn die mindestens eine Grenz- oder Störungs­ linie wie im Fall der Mittellinie 13 wenigstens annähernd quer zur Richtung eines über die Reihenschaltung fließen­ den elektrischen Stromes verläuft.

Selbstverständlich ist es auch möglich, die erfindungs­ gemäße SQUID-Einrichtung mit einem der bekannten klassischen (metallischen) Supraleitermaterialien wie z. B. mit Nb herzustellen.

Claims (8)

1. SQUID-Einrichtung mit einer supraleitenden Fläche vor­ gegebener Größe zur Detektion eines magnetischen Feldes, dadurch gekennzeichnet, daß mit der Fläche (5) mehrere in Reihe geschaltete SQUIDs (3 _j) ausgebildet sind, die jeweils ein Koppelloch (8 _j) mit zwei zugeordneten Josephson-Kontakten (4 _j) aufweisen.

2. SQUID-Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens drei, vor­ zugsweise mindestens fünf SQUIDs (3 _j) in Reihe geschaltet sind.

3. SQUID-Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, da­ durch gekennzeichnet, daß die Fläche (5) im wesentlichen zu einer Leiterbahn (12) mit Mäander­ form strukturiert ist.

4. SQUID-Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Koppellöcher (8 _j) und die Josephson-Kontakte (4 _j) zumin­ dest zu einem Teil in einem Bereich (13a) um eine gedach­ te Linie (13) ausgebildet sind, die sich zumindest annä­ hernd quer zu der Stromführungsrichtung in der Reihen­ schaltung erstreckt.

5. SQUID-Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die supraleitende Fläche (5) aus einem metalloxidischen Supra­ leitermaterial mit hoher Sprungtemperatur T_c ausgebildet ist.

6. SQUID-Einrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das metalloxidische Supraleitermaterial auf der Oberfläche eines Substrates (2) aufgebracht ist, die die Ausbildung der Josephson- Kontakte (4 _j) als Korngrenzen-Kontakte fördernde Stö­ rungen aufweist.

7. SQUID-Einrichtung nach den Ansprüchen 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Störungen längs der gedachten Linie (13) vorgesehen sind.

8. SQUID-Einrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Störungslinie die Grenzlinie zwischen Flächenteilen unterschiedlicher Kri­ stallorientierung oder eine Stufenkante in dem Substrat (2) ist.