DE4323040A1 - Josephson sensor device with superconducting parts comprising metal oxide superconductor material - Google Patents
Josephson sensor device with superconducting parts comprising metal oxide superconductor materialInfo
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Abstract
Description
Die Erfindung bezieht sich auf eine Josephson-Sensorein richtung zur Detektion eines schwachen Magnetfeldes mit supraleitenden Leiterteilen aus einem metalloxidischen Supraleitermaterial mit hoher Sprungtemperatur Tc und mit mehreren Josephson-Kontakten. Eine solche Einrichtung zeigt die EP-B-0 286 891.The invention relates to a Josephson sensor direction for detection of a weak magnetic field with superconducting conductor parts made of a metal oxide Superconductor material with high transition temperature Tc and with multiple Josephson contacts. Such a facility shows EP-B-0 286 891.
Zur Detektion schwacher magnetischer Felder oder Feldgra dienten werden insbesondere supraleitende Quanten-Inter ferometer, sogenannte "SQUIDs" (Abkürzung von: Supercon ducting Quantum Interference Devices) eingesetzt (vgl. z. B. "IEEE Trans. EL. Dev.", Vol. ED-27, No. 10, Okt. 1980, Seiten 1896 bis 1908). Als bevorzugtes Anwendungsgebiet für SQUIDs ist die medizinische Diagnostik anzusehen, da die dort auftretenden biomagnetischen Signale, z. B. die vom menschlichen Herzen oder vom menschlichen Gehirn er zeugten Magnetfelder, nur Feldstärken im pT-Bereich her vorrufen ("Magnetokardiographie" bzw. "Magnetoenzephalo graphie"). Ein weiteres Anwendungsgebiet für SQUIDs ist die zerstörungsfreie Werkstoffprüfung.For the detection of weak magnetic fields or field grains superconducting quantum inter ferometer, so-called "SQUIDs" (abbreviation of: Supercon ducting quantum interference devices) (cf. e.g. B. "IEEE Trans. EL. Dev.", Vol. ED-27, No. October 10, 1980, Pages 1896 to 1908). As a preferred area of application For SQUIDs, medical diagnostics can be seen because the biomagnetic signals occurring there, e.g. B. the from the human heart or brain generated magnetic fields, only field strengths in the pT range call ("magnetocardiography" or "magnetoencephalo graphie "). Another area of application for SQUIDs is non-destructive material testing.
Eine entsprechende Sensoreinrichtung zur Erfassung und Aufbereitung derartiger schwacher Magnetfelder enthält mindestens einen Meß- oder Detektionskanal, der wenigstens eine als Gradiometer oder Magnetometer gestaltete Feldan tenne, gegebenenfalls eine Koppelspule, einen SQUID-Kreis mit in ihn integrierten Josephson-Kontakten, im allge meinen eine Modulationsspule, sowie eine Verstärker- und Auswerteelektronik aufweist. Bis auf die Verstärker- und Auswerteelektronik sind die genannten Teile dabei in einem Kryosystem untergebracht, um in ihnen supraleitende Be triebsbedingungen zu ermöglichen. Die Feldantenne weist mindestens eine supraleitende Detektionsschleife mit einer oder mehreren Windungen zur Erfassung des Magnetfeldes der zu detektierenden Feldquelle auf. Das entsprechende Meß signal gelangt dann in den SQUID-Kreis. Die Detektions schleife kann auch in den SQUID-Kreis integriert sein (vgl. z. B. "IEEE Trans. Magn.", Vol. MAG-19, No. 3, Mai 1983, Seiten 648 bis 651). Zur Messung des in den SQUID- Kreis eingekoppelten magnetischen Flusses oder von Fluß gradienten werden sowohl RF-SQUIDs (Radio-Frequency- bzw. Hochfrequenz-SQUIDs) als auch DC-SQUIDs (Direct-Current- bzw. Gleichstrom-SQUIDs) eingesetzt. Eine Meßvorrichtung mit einer Vielzahl von entsprechend ausgestalteten Meß kanälen geht aus "Cryogenics", Vol. 29, Aug. 1989, Seiten 809 bis 813 hervor. Eine SQUID-Einrichtung mit einem einzigen DC-SQUID und einer supraleitenden Fläche als Feldantenne ist der eingangs genannten EP-B zu entnehmen.A corresponding sensor device for recording and Preparation of such weak magnetic fields contains at least one measuring or detection channel, the at least a field designed as a gradiometer or magnetometer tenne, possibly a coupling coil, a SQUID circuit with integrated Josephson contacts, generally mean a modulation coil, as well as an amplifier and Has evaluation electronics. Except for the amplifier and Evaluation electronics are the parts mentioned in one Cryosystem housed in them superconducting Be to enable driving conditions. The field antenna points at least one superconducting detection loop with one or more turns to detect the magnetic field of the field source to be detected. The corresponding measurement signal then enters the SQUID circuit. The detection Loop can also be integrated in the SQUID circle (see, e.g., "IEEE Trans. Magn.", Vol. MAG-19, No. 3, May 1983, pages 648 to 651). For measuring the in the SQUID Circle coupled magnetic flux or of flux Both RF-SQUIDs (radio frequency or High-frequency SQUIDs) and DC SQUIDs (Direct Current or DC SQUIDs) are used. A measuring device with a variety of appropriately designed measuring canals goes from "Cryogenics", Vol. 29, Aug. 1989, pages 809 to 813. A SQUID facility with one single DC-SQUID and a superconducting surface as The field antenna can be found in the EP-B mentioned at the beginning.
Derartige SQUID-Sensoreinrichtungen 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 zu detektie renden Feldsignalen erforderlich. Hierzu hat man insbe sondere die Wahl der Aufteilung entsprechender Störfeld unterdrückungsmaßnahmen einerseits auf Abschirmmaßnahmen in Gestalt einer geschlossenen Abschirmkammer aus Metall und andererseits auf Kompensationsmaßnahmen z. B. in Ge stalt von Gradiometern und/oder von zusätzlichen Re ferenzkanälen. Dabei werden vielfach die SQUIDs räumlich von der eigentlichen Feldantenne getrennt angeordnet und supraleitend abgeschirmt.However, such SQUID sensor devices are not only extremely sensitive to the items to be measured, for example wise biomagnetic fields of low field strength, but also with regard to magnetic interference fields. It is because of that Measures to suppress interference from the interference fields of several orders of magnitude compared to those to be detected field signals are required. For this you have in particular in particular the choice of the distribution of the corresponding interference field suppression measures on the one hand on shielding measures in the form of a closed metal shielding chamber and on the other hand on compensation measures e.g. B. in Ge stalt of gradiometers and / or of additional Re reference channels. The SQUIDs often become spatial arranged separately from the actual field antenna and shielded superconducting.
Seit einiger Zeit wird auch versucht, mit metalloxidischen Supraleitermaterialien hoher Sprungtemperatur Tc von ins besondere über 77 K, sogenannten Hoch-Tc-Supraleitermate rialien, SQUIDs auszubilden (vgl. z. B. die genannte EP-B). Solche SQUIDs erfordern wegen der starken kristallinen Anisotropie des Materials epitaktische Herstellungsver fahren. Dann ist jedoch eine räumliche Trennung zwischen einer feldsensitiven Antenne und dem SQUID nur schwer aus führbar. Man bevorzugt deshalb bei Verwendung von Hoch- Tc-Supraleitermaterialien Ausführungsformen von SQUIDs mit integrierter Antenne, d. h. SQUIDs, deren SQUID-Schleife zugleich als feldsensitive Antenne dient. Die aus der ein gangs genannten EP-B zu entnehmende Ausführungsform einer Detektionseinrichtung ist entsprechend gestaltet. Sie ent hält auf einem Substrat ein DC-SQUID, in dessen SQUID- Schleife zwei Josephson-Kontakte integriert sind. Das SQUID weist eine supraleitende Fläche mit zwei verhältnis mäßig großflächigen Teilflächen auf, die im wesentlichen durch eine streifenförmige Mittelzone beabstandet sind. Lediglich zwei parallel zueinander verlaufende, stegartige Leiterstreifen verbinden die Teilflächen über die Mittel zone hinweg. Es ergibt sich so zwischen den Leiterstreifen ein Koppelloch. In den Leiterstreifen sind die Josephson- Kontakte des SQUIDs ausgebildet, dessen SQUID-Schleife durch die das Koppelloch umgebenden supraleitenden Flä chenteile gebildet ist. Über das SQUID kann ein Bias- Strom geleitet werden, der z. B. einer Teilfläche zuge führt wird, über die parallelen Leiterstreifen mit den beiden Josephson-Kontakten hinweggeleitet und dann an der anderen Teilfläche wieder abgenommen wird. Mit den Teil flächen wird eine B-Feld-Komponente einer schwachen magne tischen Feldquelle detektiert, deren Feldsignale zu ent sprechenden Strömen in den Teilflächen führen.For some time, attempts have also been made to form SQUIDs with metal oxide superconductor materials having a high transition temperature T c, in particular above 77 K, so-called high-T c superconductor materials (cf., for example, the EP-B mentioned). Such SQUIDs require epitaxial manufacturing processes because of the strong crystalline anisotropy of the material. In this case, however, it is difficult to carry out a spatial separation between a field-sensitive antenna and the SQUID. Therefore, when using high-T c superconductor materials, embodiments of SQUIDs with an integrated antenna, ie SQUIDs, whose SQUID loop also serves as a field-sensitive antenna, are preferred. The embodiment of a detection device which can be gathered from the EP-B mentioned at the outset is designed accordingly. It contains a DC-SQUID on a substrate, in whose SQUID loop two Josephson contacts are integrated. The SQUID has a superconducting surface with two relatively large partial surfaces which are essentially spaced apart by a strip-shaped central zone. Only two web-like conductor strips running parallel to each other connect the partial areas across the central zone. This results in a coupling hole between the conductor strips. The Josephson contacts of the SQUID are formed in the conductor strips, the SQUID loop of which is formed by the superconducting surface parts surrounding the coupling hole. A bias current can be conducted via the SQUID. B. is supplied to a partial area, passed over the parallel conductor strips with the two Josephson contacts and then removed again at the other partial area. With the partial areas, a B-field component of a weak magnetic field source is detected, the field signals of which lead to corresponding currents in the partial areas.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die Sensorein richtung der eingangs genannten Art dahingehend auszuge stalten, daß ihre Störfeldempfindlichkeit weiter verrin gert ist.The object of the present invention is to be the sensor direction of the type mentioned at the outset to reduce their sensitivity to interference fields further device.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die supraleitenden Leiterteile eine supraleitende Leiterbahn bilden, in welcher die mehreren Josephson-Kontakte als feldsensitive Elemente in Stromführungsrichtung hinter einander angeordnet sind.This object is achieved in that the superconducting conductor parts a superconducting conductor track form, in which the multiple Josephson contacts as field-sensitive elements in the direction of current flow behind are arranged one another.
Ausgangspunkt der erfindungsgemäßen Maßnahmen ist die Beobachtung, daß die Signalempfindlichkeit eines SQUIDs nicht beliebig erhöht werden kann, z. B. mittels 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 verringert sich das von einem SQUID erzeugte Signal bis auf Null für den Fall von Störflüssen, die in etwa die Größenordnung eines Flußquants Φ₀ annehmen. The starting point of the measures according to the invention is the Observation that the signal sensitivity of a SQUID cannot be increased arbitrarily, e.g. B. by means of a Flow focusing or using a flow transformer. Rather, there are limits due to the detected interference level set. Firstly, the noise level of a SQUID also increases the trapped interference flow; and on the other hand reduced the signal generated by a SQUID down to zero for the case of interference flows that are roughly the order of magnitude of a river quantum Φ₀.
Mit den erfindungsgemäßen Maßnahmen werden diese Schwierigkeiten vorteilhaft umgangen. Dabei wird die an sich bekannte Tatsache ausgenutzt, daß der Josephson- Suprastrom eines Josephson-Kontaktes von einem äußeren Magnetfeld beeinflußt wird (vgl. z. B. H.W.Weber und O.Hittmair: "Supraleitung", Thiemig-Taschenbücher, Band 64, München 1979, Seiten 116 bis 140, insbesondere Sei ten 123 bis 127 in Verbindung mit Abb. 4.29, oder das Buch "Physics and Applications of the Josephson Effect", Hrsg.: A.Barone und G.Paternò, Verlag Wiley and Sons, 1982, ins besondere Seiten 235 bis 263). D.h., die bekannten SQUID- Flußsensoren sind bei der erfindungsgemäßen Sensoreinrich tung durch lineare Josephson-Kontakte als feldsensitive Elemente ersetzt. Diese Kontakte werden in dem verwendeten Hoch-Tc-Supraleitermaterial insbesondere durch sogenannte Korngrenzenkontakte gebildet, die vorteilhaft nur eine verhältnismäßig geringe kritische Stromdichte jc von bei spielsweise 10² bis 10³ A/cm² zu haben brauchen. Dann kann nämlich die Breite der Kontakte verhältnismäßig groß ge wählt werden. Normalerweise ist die Magnetfeldempfindlich keit eines Josephson-Kontaktes viel geringer als die von einem SQUID. Wenn aber in einer gestörten Umgebung die SQUID-Empfindlichkeit sowieso reduziert werden muß, dann kann ein verhältnismäßig breiter Josephson-Kontakt wie im erfindungsgemäßen Falle eine Empfindlichkeit aufweisen, die in etwa so groß ist wie die eines nicht optimal empfindlichen SQUIDs. Bei der erfindungsgemäßen Sensor einrichtung addieren sich die resultierenden elektrischen Spannungs- oder Stromsignale wegen der Reihenschaltung der einzelnen Josephson-Kontakte. Als wesentlicher Vorteil der beim Erfindungsgegenstand in Reihe geschalteten vielen Josephson-Kontakte ist zu sehen, daß ein entsprechender Aufbau mit verhältnismäßig anspruchsloser Technologie zu realisieren ist. Dies ist gerade im Falle der Verwendung von Hoch-Tc-Supraleitermaterial von besonderer Bedeutung.These difficulties are advantageously avoided with the measures according to the invention. The fact that the Josephson supercurrent of a Josephson contact is influenced by an external magnetic field is used here (cf., for example, BHWWeber and O. Hittmair: "Superconductivity", Thiemig-Taschenbuch, Volume 64, Munich 1979, pages 116 to 140, especially pages 123 to 127 in connection with Fig. 4.29, or the book "Physics and Applications of the Josephson Effect", ed .: A.Barone and G.Paternò, Verlag Wiley and Sons, 1982, in particular Pages 235 to 263). Ie, the known SQUID flow sensors are replaced in the sensor device according to the invention by linear Josephson contacts as field-sensitive elements. These contacts are formed in the high-T c superconductor material used in particular by so-called grain boundary contacts, which advantageously only need to have a relatively low critical current density j c of, for example, 10² to 10³ A / cm². Then namely the width of the contacts can be selected relatively large ge. The magnetic field sensitivity of a Josephson contact is usually much lower than that of a SQUID. If, however, the SQUID sensitivity has to be reduced anyway in a disturbed environment, then a relatively wide Josephson contact, as in the case according to the invention, can have a sensitivity which is approximately as large as that of a non-optimally sensitive SQUID. In the sensor device according to the invention, the resulting electrical voltage or current signals add up because of the series connection of the individual Josephson contacts. An essential advantage of the many Josephson contacts connected in series in the subject matter of the invention is that a corresponding structure can be realized with relatively undemanding technology. This is particularly important in the case of using high-T c superconductor material.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Jo sephson-Sensoreinrichtung gehen aus den abhängigen An sprüchen hervor.Advantageous embodiments of the Jo according to the invention sephson sensor device go from the dependent An sayings.
Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird nachfolgend auf die schematische Zeichnung Bezug genommen, deren Fig. 1 und 2 zwei Ersatzschaltbilder von erfindungs gemäßen Sensoreinrichtungen zeigen. In Fig. 3 ist eine Ausbildungsmöglichkeit einer Reihenschaltungen für diese Sensoreinrichtungen veranschaulicht. In den Figuren sind sich entsprechende Teile mit denselben Bezugszeichen ver sehen.To further explain the invention, reference is made below to the schematic drawing, FIGS. 1 and 2 of which show two equivalent circuit diagrams of sensor devices according to the invention. FIG. 3 illustrates a possibility of designing a series connection for these sensor devices. In the figures, corresponding parts are seen with the same reference numerals.
Für die erfindungsgemäße Josephson-Sensoreinrichtung kön nen vorteilhaft supraleitende Leiterteile vorgesehen wer den, die in einer Dünnfilm-Technik mit metalloxidischem Hoch-Tc-Supraleitermaterial erstellt sind. Insbesondere wird eines der bekannten Materialien wie z. B. auf Basis des Stoffsystems Y-Ba-Cu-O oder Bi-Sr-Ca-Cu-O ausgewählt, dessen Sprungtemperatur Tc über der Siedetemperatur des flüssigen Stickstoffs von 77 K liegt. Aufgrund der kri stallinen Anisotropie des Materials wird dieses mittels eines bekannten Epitaxieverfahrens auf einer hierfür ge eigneten Substratoberfläche abgeschieden. Die supralei tenden Leiterteile sollen dabei eine Leiterbahn bilden, in welche mehrere Josephson-Kontakte als feldsensitive Ele mente unter Ausbildung einer Reihen(Serien)-Schaltung in tegriert sind. Das Auslesen dieser Reihenschaltung kann auf zwei Arten geschehen. In einem ersten Fall wird die Reihenschaltung in an sich bekannter Weise mit einer Stromquelle betrieben, wobei ein Bias-Strom über die Rei henschaltung fließt. Ein entsprechendes Ersatzschaltbild ist in Fig. 1 angedeutet.For the Josephson sensor device according to the invention, superconducting conductor parts which are produced in a thin-film technique with metal oxide high-T c superconductor material can advantageously be provided. In particular, one of the known materials such. B. selected on the basis of the material system Y-Ba-Cu-O or Bi-Sr-Ca-Cu-O, whose transition temperature T c is above the boiling point of the liquid nitrogen of 77 K. Due to the crystalline anisotropy of the material, it is deposited by means of a known epitaxial process on a suitable substrate surface. The superconducting conductor parts are to form a conductor track in which several Josephson contacts are integrated as field-sensitive elements to form a series connection. This series connection can be read out in two ways. In a first case, the series circuit is operated in a manner known per se with a current source, with a bias current flowing across the series circuit. A corresponding equivalent circuit diagram is indicated in FIG. 1.
Die in Fig. 1 gezeigten Teile einer allgemein mit 2 be zeichneten Josephson-Sensoreinrichtung umfassen eine Rei henschaltung R von mehreren, vorzugsweise mindestens 3, insbesondere mindestens 10 hintereinander angeordneten Josephson-Kontakten 3 j. Die einzelnen, zwischen supralei tenden Leiterteilen 4 ausgebildeten Josephson-Kontakte sind in bekannter Weise durch Kreuze symbolisiert. Über die Reihenschaltung R fließt ein Bias-Strom (Grundstrom) I, der von einem Wechselstromgenerator 5 erzeugt wird. Die Josephson-Kontakte 3 c werden dabei in den Bereich eines zu detektierenden Magnetfeldes vorzugsweise so plaziert, daß die zu detektierende Feldkomponente senkrecht auf der Lei teroberfläche und damit parallel zu den c-Kristallachsen des supraleitenden Hoch-Tc-Materials der Leiterteile 4 ausgerichtet ist. Die Spannung U als Ausgangsgröße des detektierten Feldsignals wird über der Reihenschaltung R abgenommen und gegebenenfalls über einen Resonanzkreis einem nachgeordneten Verstärker zugeführt. In der Figur sind auf Erdpotential liegende Teile mit E bezeichnet.The parts with a generally 2 be recorded Josephson sensor device shown in Fig. 1 comprise a Rei henschaltung R of several, preferably at least 3, especially at least 10 successively arranged Josephson junctions 3 j. The individual, between supralei tend conductor parts 4 trained Josephson contacts are symbolized in a known manner by crosses. A bias current (base current) I, which is generated by an alternating current generator 5 , flows via the series circuit R. The Josephson contacts 3 c are preferably placed in the area of a magnetic field to be detected so that the field component to be detected is aligned perpendicularly to the surface of the conductor and thus parallel to the c-crystal axes of the superconducting high-T c material of the conductor parts 4 . The voltage U as the output variable of the detected field signal is tapped via the series circuit R and, if necessary, fed to a downstream amplifier via a resonant circuit. In the figure, parts lying at earth potential are designated by E.
Besonders vorteilhaft ist der zweite Auslesefall, wenn man die Reihenschaltung R statt mit einem Bias-Strom mit einer elektrischen Grundspannung (Wechsel- oder Gleichspannung) betreibt. Es ist so ein günstiger Arbeitsbereich der Jo sephson-Kontakte auf Basis eines bestimmten, beispiels weise konstanten Spannungsniveaus einzustellen. Diese Betriebsweise wird auch als "Spannungs-Bias" bezeichnet. Fig. 2 zeigt ein entsprechendes Ersatzschaltbild mit den wesentlichen Teilen. Wie daraus ersichtlich ist, wird bei dieser Ausführungsform einer Josephson-Sensoreinrichtung 7 die Reihenschaltung R der Josephson-Kontakte 3 j auf ein elektrisches Potential einer Spannungsquelle 8 gelegt. In Serie mit der Reihenschaltung R ist eine Auskoppelspule 9 geschaltet. Eine Seite dieser Spule ist mit Erdpotential E z. B. über einen hinreichend kleinen Serienwiderstand 10 verbunden. Als Grundbedingung für den Spannungs-Bias muß der ohmsche Wert dieses Widerstandes 10 bei einem durch die Serienschaltung fließenden Strom i deutlich kleiner als der der Reihenschaltung sein.The second readout case is particularly advantageous if the series circuit R is operated with a basic electrical voltage (AC or DC voltage) instead of with a bias current. It is thus a favorable working range of the Jo sephson contacts to be set on the basis of a certain, for example constant, voltage level. This mode of operation is also referred to as "voltage bias". Fig. 2 shows a corresponding equivalent circuit diagram with the essential parts. As can be seen from this, in this embodiment of a Josephson sensor device 7, the series connection R of the Josephson contacts 3 j is placed on an electrical potential of a voltage source 8 . A decoupling coil 9 is connected in series with the series connection R. One side of this coil is connected to earth potential E z. B. connected via a sufficiently small series resistor 10 . As a basic condition for the voltage bias, the ohmic value of this resistor 10 for a current i flowing through the series circuit must be significantly smaller than that of the series circuit.
Vorteilhaft kann der Serienwiderstand 10 dadurch ausge bildet sein, daß die Auskoppelspule 9 aus normalleitendem Material erstellt ist.The series resistor 10 can advantageously be formed in that the decoupling coil 9 is made of normally conductive material.
Bei der Ausführungsform der Josephson-Einrichtung 7 wird der Strom durch die Reihenschaltung R als Ausgangsgröße genutzt und mittels der Induktivität der Spule 9 in einen magnetischen Fluß umgewandelt, der durch ein DC-SQUID 12 mit Josephson-Kontakten 13 und 14 detektiert wird. D.h., in die SQUID-Schleife 15 dieses ebenfalls mit Hoch-Tc- Material zu erstellenden SQUIDs 12 wird in an sich bekann ter Weise das an der Reihenschaltung R erzeugte Signal in duktiv über die Auskoppelspule 9 eingekoppelt. Das SQUID 12 wird dabei in an sich bekannter Weise mit einem Bias- Strom betrieben. Ein hierfür erforderlicher Wechselstrom generator ist mit 18 bezeichnet. Die Ausgangsspannung des SQUIDs 12 wird vorteilhaft direkt, d. h. ohne besondere Anpassungsglieder, einer nachgeordneten Elektronik zuge führt, von der nur ein Vorverstärker 20, beispielsweise ein Operationsverstärker, angedeutet ist. Dieser Verstär ker kann sich vorteilhaft auf Raumtemperatur befinden. In der Figur ist der Übergang zwischen dem Tieftemperatur bereich TT mit den supraleitenden Teilen und dem Raum temperaturbereich RT durch eine gestrichelte Linie ange deutet.In the embodiment of the Josephson device 7 , the current through the series circuit R is used as an output variable and is converted into a magnetic flux by means of the inductance of the coil 9 , which is detected by a DC-SQUID 12 with Josephson contacts 13 and 14 . That is, the SQUID loop 15 of this SQUIDs 12 , which is also to be produced with high-T c material, is coupled in a manner known per se to the signal generated at the series circuit R in a ductile manner via the decoupling coil 9 . The SQUID 12 is operated in a manner known per se with a bias current. An AC generator required for this is designated by 18 . The output voltage of the SQUID 12 is advantageously fed directly, ie without special adaptation elements, to downstream electronics, of which only one preamplifier 20 , for example an operational amplifier, is indicated. This amplifier can advantageously be at room temperature. In the figure, the transition between the low temperature area TT with the superconducting parts and the room temperature area RT is indicated by a dashed line.
Eine Ausführungsform einer Reihenschaltung R von Joseph son-Kontakten 3 j einer erfindungsgemäßen Josephson-Sensor einrichtung, z. B. gemäß Fig. 1 oder Fig. 2, ist in Fig. 3 schematisch als Aufsicht veranschaulicht. Diese Schal tung ist aus einer zunächst rechteckigen supraleitenden Fläche 22 erstellt, die auf ein hierfür geeignetes Sub strat 30 aufgebracht ist. Diese Fläche ist mittels zweier von gegenüberliegenden Seitenrändern 23a und 23b kammarti gen ineinandergreifenden Schlitzungen 24a und 24b so struk turiert, daß sich eine im wesentlichen mäanderförmige Lei terbahn 25 ergibt. Die Schlitzungen 24a und 24b erstrecken sich dabei von dem jeweiligen Seitenrand aus bis über min destens eine gedachte Linie 27 in Richtung auf den gegen überliegenden Seitenrand. Diese vorzugsweise eine gedach te Linie 27 kann insbesondere die Mittellinie der Fläche 22 bezüglich deren Seitenränder 23a und 23b sein. Aufgrund der bis über diese Mittellinie 27 hinausreichenden Schlit zungen 24a und 24b hat die aus der Fläche 22 gebildete Leiterbahn 25 in einem diese Mittellinie 27 einschließen den Bereich 27a eine Streifenform. In diesen über die Mit tellinie 27 hinwegverlaufenden streifenförmigen Leitertei len 4 sind die einzelnen, durch verstärkte Linien veran schaulichten Josephson-Kontakte 3 j ausgebildet. Ihre Brei te w ist durch die Breite der streifenförmigen Leiterteile bestimmt. Geht man von einer verhältnismäßig geringen kri tischen Stromdichte jc von 10² bis 10³ A/cm² des Hoch-Tc- Supraleitermaterials aus, so kann unter dieser Bedingung die Breite w der einzelnen Josephson-Kontakte vorteilhaft verhältnismäßig groß gewählt werden. Dabei sollte vorteil haft gelten: w 3 * λJ, wobei λJ die Josephson-Wellen länge ist. Diese Wellenlänge ist proportional zu 1/√jc. So ergibt sich beispielsweise für eine kritische Strom dichte von 10² A/cm² ein w < 90 µm. Für kritische Strom dichten um 10³ A/cm² liegt die Breite w unter 30 µm. D.h., die Breite w der Josephson-Kontakte bzw. der daran angren zenden Leiterteile 4 kann vorteilhaft über 1 µm, vorzugs weise über 10 µm gewählt werden. Entsprechend breite Lei terteile sind verhältnismäßig einfach zu strukturieren.An embodiment of a series circuit R of Joseph son contacts 3 j of a Josephson sensor device according to the invention, z. As shown in FIG. 1 or FIG. 2 is schematically illustrated in Fig. 3 as a plan view. This scarf device is created from an initially rectangular superconducting surface 22 , which is applied to a suitable substrate 30 . This area is structured by means of two opposing side edges 23 a and 23 b comb-like interlocking slots 24 a and 24 b so that a substantially meandering Lei terbahn 25 results. The slots 24 a and 24 b extend from the respective side edge to at least an imaginary line 27 in the direction of the opposite side edge. This preferably a gedach te line 27 can in particular be the center line of the surface 22 with respect to the side edges 23 a and 23 b. Due to the to this center line 27 also reaching Schlit tabs 24 a and 24 b, the conductor track 25 formed from the surface 22 has a center line 27, these include the region 27 a a stripe shape. The individual Josephson contacts 3 j , illustrated by means of reinforced lines, are formed in these strip-shaped conductor parts 4 extending over the line 27 . Your width te w is determined by the width of the strip-shaped conductor parts. Assuming a relatively low critical current density j c of 10² to 10³ A / cm² of high-T c superconductor material, the width w of the individual Josephson contacts can advantageously be chosen to be relatively large under this condition. The following should advantageously apply: w 3 * λ J , where λ J is the Josephson wavelength. This wavelength is proportional to 1 / √j c . For example, a critical current density of 10² A / cm² results in a w <90 µm. For critical current densities around 10³ A / cm² the width w is less than 30 µm. That is, the width w of the Josephson contacts or the conductor parts 4 adjoining them can advantageously be chosen to be more than 1 μm, preferably more than 10 μm. Correspondingly wide conductor parts are relatively easy to structure.
Außerhalb des Bereichs 27a um die Mittellinie 27 kann die Leiterbahn 25 verhältnismäßig großflächig ausgeführt sein. Eine auf die Leiterbahn 25 und damit auch auf die Joseph son-Kontakte 3 j als feldsensitive Elemente einwirkende B-Feldkomponente ist in der Figur in bekannter Weise an gedeutet. Am Anfang und am Ende der Reihenschaltung ist die Leiterbahn als schmaler Leiterstreifen ausgeführt, der einen Anschluß 29a bzw. 29b z. B. für einen Bias-Strom I bildet. Die Reihenschaltung kann aber auch mit einer Spannungs-Bias betrieben werden.Outside the area 27 a around the center line 27 , the conductor track 25 can be made relatively large. A B-field component acting on the conductor track 25 and thus also on the Joseph son contacts 3 j as field-sensitive elements is indicated in the figure in a known manner. At the beginning and at the end of the series connection, the conductor track is designed as a narrow conductor strip, which has a connection 29 a and 29 b z. B. for a bias current I. The series connection can also be operated with a voltage bias.
Selbstverständlich sind statt der dargestellten Ausfüh rungsform der supraleitenden Fläche in Form einer mäan derförmigen Leiterbahn 25 auch andere Flächen oder Leiter konfigurationen möglich, die die erfindungsgemäße Kette aus mehreren hintereinandergereihten Josephson-Kontakten mit jeweils begrenzter Empfindlichkeit gewährleisten. So können z. B. mehrere, beispielsweise parallele gedachte Linien 27 vorgesehen werden, in deren Bereichen die Jo sephson-Kontakte 3 j liegen.Of course, instead of the illustrated embodiment of the superconducting surface in the form of a meander-shaped conductor track 25 , other surfaces or conductor configurations are also possible, which ensure the chain according to the invention of a plurality of Josephson contacts in series, each with limited sensitivity. So z. B. several, for example parallel imaginary lines 27 are provided, in whose areas the Jo sephson contacts 3 j .
Bei den erfindungsgemäßen Josephson-Einrichtungen ist vorausgesetzt, daß für deren Reihenschaltung R als supra leitendes Material ein bekanntes Hoch-Tc-Material vorge sehen wird. Josephson-Kontakte mit diesem Material werden in an sich bekannter Weise ausgebildet. Besonders vor teilhaft ist es, wenn man die Josephson-Kontakte als so genannte Korngrenzen-Kontakte herstellt. Hierzu werden Störungen in der Oberflächenstruktur des Substrates 30 ausgenutzt, auf dem die supraleitende Fläche 22 abgeschie den wird. 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 näm lich, daß an der Grenzlinie zwischen Flächen verschiedener Kristallorientierung besonders gut Josephson-Kontakte aus Hoch-Tc-Supraleitermaterial mit reproduzierbaren supralei tenden Eigenschaften entstehen können. Auch Stufenkanten in gestuften Substraten sind zur Herstellung entsprechen der Korngrenzen-Kontakte geeignet (vgl. z. B. DE-OS 42 12 028 oder DE-OS 41 41 228). Vorzugsweise kann die in Fig. 3 veranschaulichte Linie 27 eine derartige Grenz- oder Störungslinie darstellen, an welcher die gewünschten Josephson-Kontakte 3 j in Form von Korngrenzen-Kontakten ausgebildet sind. Allgemein ist es vorteilhaft, wenn die mindestens eine Grenz- oder Störungslinie wie im Fall der Mittellinie 27 wenigstens annähernd quer zur Richtung eines über die Reihenschaltung fließenden elektrischen Stromes verläuft. In the Josephson devices according to the invention it is assumed that a known high-T c material will be seen for their series connection R as a superconducting material. Josephson contacts with this material are formed in a manner known per se. It is particularly advantageous if the Josephson contacts are made as so-called grain boundary contacts. For this purpose, disturbances in the surface structure of the substrate 30 are used , on which the superconducting surface 22 is deposited. Such disturbances can be generated by bi-epitaxial surfaces or by bi-crystalline substrates (see, for example, WO-A 92/16974). Namely, it shows that at the boundary between surfaces of different crystal orientations, Josephson contacts made of high-T c superconductor material with reproducible superconducting properties can develop particularly well. Step edges in stepped substrates are also suitable for producing the grain boundary contacts (see, for example, DE-OS 42 12 028 or DE-OS 41 41 228). Line 27 illustrated in FIG. 3 can preferably represent such a boundary or fault line on which the desired Josephson contacts 3 j are formed in the form of grain boundary contacts. In general, it is advantageous if the at least one boundary or fault line, as in the case of the center line 27, extends at least approximately transversely to the direction of an electrical current flowing through the series connection.
Vorteilhaft kann man mit Josephson-Sensoreinrichtungen nach der Erfindung Magnetometer oder Gradiometer aufbauen, mit denen sich magnetische Feldkomponenten, insbesondere die Komponenten Bx, By, Bz eines Vektormagnetometers in einem rechtwinkligen x-y-z-Koordinatensystem, bzw. magne tische Feldgradienten wie dBx/dx, dBy/dy usw. detektieren lassen. Im Fall der Induktionskomponenten Bx, By, usw. wird z. B. je eine Sensoreinrichtung in einer zur jewei ligen Komponente orthogonalen Ebene angeordnet. Diese Ebe nen können hierfür beispielsweise durch entsprechende Flä chen eines Würfels festgelegt sein, dessen eine Ecke im Koordinatenursprung des x-y-z-Koordinatensystems liegt und von dem drei Kanten auf den Koordinatenachsen liegen. Im Fall der Detektion einer Induktionsgradientenkomponente wie z. B. dBz/dz sind zwei Sensoreinrichtungen vorzusehen, die in Ebenen liegen, die untereinander parallel und be züglich der zu detektierenden Komponente orthogonal aus gerichtet sind. Beispielsweise würde eine dieser Ebenen durch die Koordinaten x und y aufgespannt. Durch eine Sub traktion der mit beiden Sensoreinrichtungen erzeugten Meß signale läßt sich dann ein Restsignal gewinnen, das pro portional zu der Änderung der magnetischen Induktions komponente, d. h. proportional zu dBz/dz ist.With Josephson sensor devices according to the invention, one can advantageously build magnetometers or gradiometers with which magnetic field components, in particular the components B x , B y , B z of a vector magnetometer in a right-angled xyz coordinate system, or magnetic field gradients such as dB x / Have dx, dB y / dy etc. detected. In the case of the induction components B x , B y , etc., e.g. B. each arranged a sensor device in an orthogonal plane to the respective component. For this purpose, these levels can be defined, for example, by corresponding surfaces of a cube, one corner of which lies in the coordinate origin of the xyz coordinate system and three edges of which lie on the coordinate axes. In the case of the detection of an induction gradient component such as e.g. B. dB z / dz two sensor devices are to be provided, which lie in planes that are parallel to each other and be orthogonally directed with respect to the component to be detected. For example, one of these planes would be spanned by the coordinates x and y. By subtracting the measurement signals generated with both sensor devices, a residual signal can then be obtained which is proportional to the change in the magnetic induction component, ie proportional to dB z / dz.
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