DE4419297A1

DE4419297A1 - Gradient magnetometer having superconducting quantum interferometers

Info

Publication number: DE4419297A1
Application number: DE19944419297
Authority: DE
Inventors: Gabriel M Dipl Phys Daalmans; Ludwig Dipl Phys Dr Baer
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1994-06-01
Filing date: 1994-06-01
Publication date: 1995-12-07

Abstract

A gradient magnetometer (2) suitable for medical diagnostics or non-destructive material testing applications comprises a pair of cryogenically controlled superconducting quantum interferometers (SQUID) of this film single layer construction having identical loop antennas (3, 4) connected in parallel via a common conductor (5) and coupling element (5a) such as to enclose similar areas (F1, F2). A DC SQUID (9) having the loop antenna (6) spanning the coupling element (5a) incorporates two Josephson elements (7, 8) whose current density regulation nullifies the effect of the earth's magnetic field on measurements of gradient and a screening ring (15) shields the system against external transient disturbance.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Gradiometer-SQUID-Ein richtung mit einer einlagigen Struktur von Leiterbahnen aus einem Hoch-T_C-Supraleitermaterial, mit denenThe invention relates to a gradiometer SQUID device with a single-layer structure of conductor tracks made of a high-T _C superconductor material with which

- a gradiometer with two identical, connected in parallel Antenna loops,
- A jointly connected with the two antenna loops Coupling element,
- At least one galvanically connected to the coupling element DC-SQUID with two Josephson elements

ausgebildet sind.are trained.

Eine derartige Gradiometer-SQUID-Einrichtung ist der Veröf fentlichung "Applied Superconductivity" ("Proc. EUCAS ′93") Vol. 2, Seiten 1167 bis 1170, DGM-Informationsgesellschaft (Hrsg.: H.C.Freyhardt), Oberursel (DE), 1993 zu entnehmen.Such a gradiometer SQUID device is the Verf "Applied Superconductivity" ("Proc. EUCAS ′93") Vol. 2, pages 1167 to 1170, DGM-Informationsgesellschaft (Ed .: H.C.Freyhardt), Oberursel (DE), 1993.

Mit supraleitenden Quanten-Interferometern, die auch als "SQUIDs" bezeichnet werden, lassen sich bekanntlich äußerst schwache Felder oder Feldgradienten detektieren. Als bevor zugtes Anwendungsgebiet für SQUIDs wird deshalb die medizini sche Diagnostik angesehen, da die dort auftretenden biomagne tischen Signale nur Feldstärken im pT-Bereich hervorrufen. Ferner ist auch an einen Einsatz von SQUIDs auf dem Gebiet der zerstörungsfreien Werkstoffprüfung gedacht, insbesondere wenn metalloxidisches Hoch-T_C-Supraleitermaterial eingesetzt werden soll.With superconducting quantum interferometers, which are also referred to as "SQUIDs", it is known that extremely weak fields or field gradients can be detected. Medical diagnostics is therefore regarded as the preferred area of application for SQUIDs, since the biomagne- tic signals occurring there only produce field strengths in the pT range. In addition, the use of SQUIDs in the field of non-destructive material testing is also envisaged, in particular if high-T _C metal oxide superconductor material is to be used.

Eine entsprechende Einrichtung zur Erfassung und Aufbereitung derartig schwacher Magnetfelder oder entsprechender Magnet feldgradienten weist mindestens einen Meß- oder Detektionska nal auf. Dieser Kanal enthält auf seiner Eingangsseite als Antenne eine feldsensitive Schleifenanordnung mit mindestens einer Detektionsschleife. Die in dieser Schleife hervorgeru fenen magnetischen Flüsse oder Flußgradienten werden dann dem SQUID zugeführt. Dies kann induktiv über eine Koppelspule in die SQUID-Schleife des SQUIDs erfolgen. Die Effektivität der Flußeinkopplung läßt sich dadurch steigern, daß das SQUID auch direkt (galvanisch) in die Schleifenanordnung integriert ist.A corresponding facility for recording and processing such weak magnetic fields or corresponding magnet field gradient has at least one measuring or detection box nal on. This channel contains on its input side as Antenna has a field-sensitive loop arrangement with at least a detection loop. The resulting in this loop Open magnetic fluxes or flow gradients are then the SQUID fed. This can be done inductively via a coupling coil the SQUID loop of the SQUID takes place. The effectiveness of Flow coupling can be increased by the SQUID also directly (galvanically) integrated into the loop arrangement is.

Derartige Meßeinrichtungen erfordern wegen der extrem gerin gen Feldstärken der zu messenden, im allgemeinen verhältnis mäßig niederfrequenten Felder Maßnahmen zu einer Unter drückung von vergleichsweise höher frequenten Störfeldern um beispielsweise mehrere Größenordnungen im Vergleich zu den zu detektierenden Feldsignalen. Hierbei hat man insbesondere die Wahl der Aufteilung dieser Störfeldunterdrückungsmaßnahmen einerseits auf Abschirmmaßnahmen z. B. mittels einer Abschirm kammer und andererseits auf Kompensationsmaßnahmen durch Ge staltung der Schleifenanordnung als Gradiometer.Such measuring devices require because of the extremely low field strengths of the generally to be measured ratio moderately low frequency fields measure to a sub pressure from comparatively higher frequency interference fields for example, several orders of magnitude compared to the detecting field signals. Here you have in particular the Choice of the distribution of these interference field suppression measures on the one hand on shielding z. B. by means of a shield chamber and on the other hand on compensation measures by Ge design of the loop arrangement as a gradiometer.

Mit Gradiometern, die im Gegensatz zu Magnetometern zusätz lich zu ihrer mindestens einen Detektionsschleife mindestens noch eine weitere, als Kompensationsschleife bezeichnete Schleife besitzen, lassen sich nämlich unerwünschte Hinter grundfelder entfernterer Feldquellen diskriminieren, während die Feldsensivität bezüglich näherer Feldquellen erhalten bleibt (vgl. z. B. "Journal of Magnetism and Magnetic Mate rials", Vol. 22, 1981, Seiten 129 bis 201).With gradiometers, which, in contrast to magnetometers, add Lich to at least one detection loop yet another, called a compensation loop Having a loop can be undesirable behind discriminate basic fields of more distant field sources, while maintain the field sensitivity with regard to closer field sources remains (see e.g. "Journal of Magnetism and Magnetic Mate rials ", vol. 22, 1981, pages 129 to 201).

Eine entsprechende Störfeldunterdrückung läßt sich auch mit dem Gradiometer gewährleisten, das aus der eingangs genannten Literaturstelle aus "Applied Superconductivity", Vol. 2, zu entnehmen ist. Das bekannte Gradiometer erster Ordnung ent hält zwei gleichgestaltete, als Detektions- und Kompensa tionsschleife dienende Antennenschleifen. Diese Schleifen sind über einen gemeinsamen Teil einer Leiterbahn parallelge schaltet. Dieser Leiterbahnteil kann als ein Koppelelement angesehen werden, an dem zwei gegenüberliegend angeordnete SQUIDs galvanisch angeschlossen sind. Diese SQUIDs sind im Hinblick auf eine Begrenzung des Rauschanteils der mit ihnen erzeugten Signale als Gleichstrom (DC)-SQUIDs ausgestaltet. Sie enthalten deshalb jeweils in ihrer supraleitenden SQUID- Schleife zwei Josephson-Elemente. Als supraleitendes Material der Leiterbahnen für die Antennenschleifen, das Koppelelement und die SQUID-Schleifen ist ein bekanntes metalloxidisches Hoch-T_C-Supraleitermaterial vorgesehen, das eine LN₂-Kühl technik erlaubt. Wegen der kristallinen Anisotropie dieses Materials ist dabei die mit den Leiterbahnen erzeugte Struk tur nur einlagig. Es zeigt sich jedoch, daß diese bekannte Gradiometer-SQUID-Einrichtung immer noch verhältnismäßig emp findlich bezüglich unerwünschter, insbesondere hochfrequenter Störfelder ist.A corresponding suppression of interference fields can also be ensured with the gradiometer, which can be found in the above-mentioned literature from "Applied Superconductivity", Vol. 2. The well-known first-order gradiometer contains two identically designed antenna loops, which serve as a detection and compensation loop. These loops are connected in parallel over a common part of a conductor track. This conductor track part can be regarded as a coupling element to which two SQUIDs arranged opposite one another are galvanically connected. With a view to limiting the noise component of the signals generated with them, these SQUIDs are designed as direct current (DC) SQUIDs. Therefore, they each contain two Josephson elements in their superconducting SQUID loop. As a superconducting material of the conductor tracks for the antenna loops, the coupling element and the SQUID loops, a known metal oxide high-T _C superconductor material is provided, which allows LN₂ cooling technology. Because of the crystalline anisotropy of this material, the structure generated with the conductor tracks is only one layer. It turns out, however, that this known gradiometer SQUID device is still relatively sensitive to undesirable, in particular high-frequency, interference fields.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es nun, die Einrich tung mit den eingangs genannten Merkmalen dahingehend auszu gestalten, daß bei einer effektiven Flußeinkopplung für ver hältnismäßig niederfrequente Meßsignale eine noch effektivere Störfeldunterdrückung für vergleichsweise höhere Stör frequenzen gewährleistet wird.The object of the present invention is now to set up tion with the above-mentioned characteristics design that with an effective flow coupling for ver relatively low-frequency measurement signals an even more effective Interference suppression for comparatively higher interference frequencies is guaranteed.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß zum einen Josephson-Elemente mit so hoher kritischer Stromdichte vorgesehen sind, daß der von dem magnetischen Erdfeld in die sen Elementen hervorgerufene magnetische Fluß kleiner als ein magnetisches Flußquant ist, und zum anderen zumindest die von den Antennenschleifen eingenommenen Flächen mit mindestens einer dünnen Schicht aus einem normal leitenden Material mit einer solchen elektrischen Leitfähigkeit abgedeckt sind, daß in dieser Schicht praktisch nur hochfrequente Abschirmströme anzuwerfen sind.This object is achieved in that a Josephson element with such a high critical current density are provided that the of the magnetic earth field in the Magnetic flux generated less than one element magnetic flux quantum, and secondly at least that of the areas occupied by the antenna loops with at least with a thin layer of a normal conductive material such an electrical conductivity are covered that practically only high-frequency shielding currents in this layer are to be started.

Bei der Erfindung wird von der Überlegung ausgegangen, daß mit der Einstellung einer hinreichend hohen Stromdichte in den Josephson-Elementen der Einfluß des Erdmagnetfeldes so klein gehalten werden kann, daß sich vorteilhaft auf eine be sondere Abschirmung gegen dieses Feld verzichten läßt. Ferner wird für die normalleitende Schicht oberhalb und/oder unter halb der von den Antennenschleifen eingenommenen Flächen eine hinreichend geringe Leitfähigkeit des normalleitenden Mate rial vorgesehen, so daß praktisch keine niederfrequenten Rauschströme einkoppeln können. Der konkrete Wert für die Leitfähigkeit wird so bemessen, daß andererseits hochfre quente Störungen in der normalleitenden Schicht Abschirmströ me anwerfen können.The invention is based on the consideration that with the setting of a sufficiently high current density in the influence of the earth's magnetic field so the Josephson elements can be kept small, that advantageously on a be special shielding against this field can be dispensed with. Further becomes for the normal conductive layer above and / or below half of the area occupied by the antenna loops sufficiently low conductivity of the normal conductive mate rial provided so that practically no low-frequency Can couple noise currents. The concrete value for that Conductivity is such that, on the other hand, high fre quent disturbances in the normal conducting layer shielding currents can start me.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Gradiome ter-SQUID-Einrichtung gehen aus den vom Hauptanspruch abhän gigen Unteransprüchen hervor.Advantageous configurations of the gradioms according to the invention ter-SQUID facilities depend on the main claim from subclaims.

Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird nachfolgend auf die Zeichnung Bezug genommen. Dabei zeigen jeweils schema tisch deren Fig. 1 den prinzipiellen Aufbau einer erfindungsgemä ßen Gradiometer-SQUID-Einrichtung und deren Fig. 2 bis 4 besondere Ausführungsformen einer sol chen Einrichtung.To further explain the invention, reference is made below to the drawing. In each case, schematically show the Fig. 1 shows the basic structure of an inventive SEN gradiometer SQUID device and the Fig. 2 to 4 of the other embodiments of a sol chen device.

In den Figuren sind sich entsprechende Teile mit denselben Bezeichen versehen.Corresponding parts are the same in the figures Provide labels.

Die supraleitenden Teile der Gradiometer-SQUID-Einrichtung nach der Erfindung sollen aus einem der bekannten Hoch-T_C-Su praleitermaterialien nach geläufigen Verfahren der Dünnfilm- Technik auf einem hierfür geeigneten Substrat einlagig, d. h. unter Vermeidung von Überlappungsbereichen, hergestellt sein. Beispiele entsprechender Materialien sind Cuprate mit Hoch- T_C-Phasen auf Basis der aus den Stoffsystemen Y-Ba-Cu-O oder Bi(Pb)Sr-Ca-Cu-O bekannten Grundtypen wie YBa₂Cu₃O_7-x oder Bi₂Sr₂CaCu₂O_8+y oder (Bi,Pb)₂Sr₂Ca₂Cu₃O_10-z. Die Materialien sollen eine Kühlung mit flüssigem Stickstoff (LN₂) ermögli chen.The superconducting parts of the gradiometer SQUID device according to the invention should be made from one of the known high-T _C -Su praleitermaterial materials by common methods of thin-film technology on a suitable substrate, ie avoiding overlap areas. Examples of such materials are cuprates with high-T _C phases based on the basic types known from the Y-Ba-Cu-O or Bi (Pb) Sr-Ca-Cu-O material systems, such as YBa₂Cu₃O _7-x or Bi₂Sr₂CaCu₂O _{8 + y} or (Bi, Pb) ₂Sr₂Ca₂Cu₃O _10-z . The materials are intended to enable cooling with liquid nitrogen (LN₂).

Bei der in Fig. 1 als Ersatzschaltbild gezeigten, allgemein mit 2 bezeichneten Einrichtung wird von bekannten Ausfüh rungsformen ausgegangen (vgl. z. B. die eingangs genannte Li teraturstelle aus "Applied Superconducitivity", Vol. 2). Die Einrichtung enthält als feldsensitive Schleifenanordnung ein Gradiometer erster Ordnung aus dem Hoch-T_C-Supraleitermate rial mit zwei bezüglich einer gedachten, durch eine gestri chelte Linie angedeuteten Mittellinie S zumindest weitgehend symmetrisch aufgebauten Antennenschleifen 3 und 4, die glei che Flächen F1 bzw. F2 umschließen. Die Antennenschleifen sind über eine gemeinsame Leiterbahn 5 parallelgeschaltet, wodurch sich vorteilhaft ein supraleitender Abschirmring für homogene (Stör-)Magnetfelder ergibt. Die gemeinsame Leiter bahn 5 bildet in einem zu der Symmetrielinie S symmetrischen Bereich ein Koppelelement 5a, das zur besseren Unterscheidung gegenüber den übrigen Teilen der Leiterbahn vergleichsweise schmaler gezeichnet ist. Bei einer konkreten Ausführungsform der Einrichtung 2 kann jedoch das Koppelelement 5a dieselbe Breite wie die Leiterbahn 5 haben. Die Ausdehnung des Kop pelelementes 5a ist definiert durch Anschluß- oder Verzwei gungspunkte P1 und P2 einer bezüglich der Symmetrielinie S ebenfalls symmetrischen SQUID-Schleife 6. In diese Schleife sind symmetrisch angeordnet zwei Josephson-Elemente 7 und 8 integriert, so daß sich ein galvanisch an die Antennen schleifen angekoppeltes DC-SQUID 9 ergibt. Wegen der hochsym metrischen Anordnung des SQUIDs bezüglich der Antennenschlei fen wird eine erhöhte Störunempfindlichkeit gewährleistet. Aufgrund der geforderten einlagigen Struktur der supraleiten den Leiterbahnen für die Antennenschleifen 3, 4 und 5, das Koppelelement 5a sowie die SQUID-Schleife 6 müssen Kontakt flächen 11 und 12 zum elektrischen Anschließen des SQUIDs in nerhalb der Flächen F1 und F2 liegen. Diese Kontaktflächen und ihre entsprechenden Zuleitungen 13 und 14 liegen im Be reich der Symmetrielinie S.In the device shown in FIG. 1 as an equivalent circuit diagram, generally designated 2 , known embodiments are assumed (cf., for example, the above-mentioned lithium literature from "Applied Superconducitivity", Vol. 2). The device contains, as a field-sensitive loop arrangement, a first-order gradiometer from the high-T _C superconductor material with two antenna loops 3 and 4 which are at least largely symmetrical with respect to an imaginary center line S indicated by a dashed line, the same surfaces F1 and F2 enclose. The antenna loops are connected in parallel via a common conductor track 5 , which advantageously results in a superconducting shielding ring for homogeneous (interference) magnetic fields. The common conductor track 5 forms in a symmetrical to the line of symmetry S a coupling element 5 a, which is drawn comparatively narrower to better distinguish it from the other parts of the conductor track. In a specific embodiment of the device 2 , however, the coupling element 5 a can have the same width as the conductor track 5 . The extent of the coupling element 5 a is defined by connection or branching points P1 and P2 of a SQUID loop 6 which is also symmetrical with respect to the line of symmetry S. In this loop, two Josephson elements 7 and 8 are arranged symmetrically, so that a DC-SQUID 9 coupled galvanically to the antennas results. Due to the highly symmetrical arrangement of the SQUIDs with respect to the antenna loops, increased immunity to interference is guaranteed. Due to the required single-layer structure of the superconductors, the conductor tracks for the antenna loops 3 , 4 and 5 , the coupling element 5 a and the SQUID loop 6 , contact surfaces 11 and 12 for the electrical connection of the SQUID must be within the surfaces F1 and F2. These contact surfaces and their corresponding leads 13 and 14 are in the area of the line of symmetry S.

Erfindungsgemäß soll das SQUID 9 zum einen so ausgestaltet sein, daß das magnetische Erdfeld in seinen Josephson-Elemen ten 7 und 8 nur einen magnetischen Fluß hervorrufen kann, der kleiner ist als das Flußquant Φ₀ Dies ist durch eine hinreichend hohe kritische Stromdichte der Josephson-Elemente 7 und 8 zu gewährleisten. Als Josephson-Elemente werden vor teilhaft sogenannte Korngrenzen-Elemente vorgesehen. In einem solchen Element läßt sich die kritische Stromdichte durch Gestaltung der Korngrenze beeinflussen. Beispielsweise kann die Korngrenze in einem entsprechenden Element dadurch ausgebildet sein, daß an einer entsprechenden Grenzlinie Leiterbahnbereiche mit unterschiedlicher kristalliner Orien tierung aneinanderstoßen (vgl. z. B. Appl. Phys. Lett., Vol. 59, No. 6, 5. Aug. 1991, Seiten 733 bis 735 oder DE-A-41 41 228). Mit dem Winkel zwischen sich entsprechenden kristalli nen Achsen auf den beiden Seiten der Grenzlinie läßt sich dann die gewünschte hohe kritische Stromdichte über die Korn grenze hinweg festlegen. Dabei führen kleinere Winkel zu größeren kritischen Stromdichten. Oder aber man erzeugt eine Korngrenze nachträglich in einer Leiterbahn aus dem Hoch-T_C- Supraleitermaterial dadurch, daß man in diese Leiterbahn me chanisch eine entsprechende Störzone einarbeitet (vgl. z. B. EP-A-0 364 101, DE-A-43 15 536 oder den Preprint von R. Gross, P. Chaudhari: "Status of dc-SQUIDs in the High Tempe rature Superconductors", zu veröffentlichen in: "Principles and Applications of Superconducting Quantum Interference De vices", Hrsg.: A.Barone, World Scientific, Singapore 1991).According to the invention, the SQUID 9 should on the one hand be designed such that the magnetic earth field in its Josephson elements 7 and 8 can only produce a magnetic flux which is smaller than the flux quantum Φ₀ This is due to a sufficiently high critical current density of the Josephson elements To ensure 7 and 8 . So-called grain boundary elements are partially provided as Josephson elements. In such an element, the critical current density can be influenced by designing the grain boundary. For example, the grain boundary can be formed in a corresponding element in that conductor track regions with different crystalline orientations abut one another on a corresponding boundary line (cf., for example, Appl. Phys. Lett., Vol. 59, No. 6, Aug. 5). 1991, pages 733 to 735 or DE-A-41 41 228). With the angle between corresponding crystalline axes on both sides of the boundary line, the desired high critical current density can then be determined across the grain boundary. Smaller angles lead to higher critical current densities. Or a grain boundary is subsequently created in a conductor track from the high-T _C superconductor material by mechanically incorporating a corresponding fault zone into this conductor track (cf., for example, EP-A-0 364 101, DE-A- 43 15 536 or the preprint from R. Gross, P. Chaudhari: "Status of dc-SQUIDs in the High Temperature Superconductors", to be published in: "Principles and Applications of Superconducting Quantum Interference De vices", ed .: A. Barone, World Scientific, Singapore 1991).

Mit der Größe der Störungszone legt man die gewünschte kri tische Stromdichte fest. Daneben ist es auch möglich, die kritische Stromdichte von an Stufen ausgebildeten Korngrenzen durch den Winkel festzulegen, den an die Stufe angrenzende Leiterbahnteile einschließen (vgl. z. B. DE-A-42 19 006). Im allgemeinen sollte für eine erfindungsgemäße Gradiometer- SQUID-Einrichtung die kritische Stromdichte an entsprechend ausgebildeten Korngrenzen-Josephson-Elementen nicht unter 1000 A/cm² liegen.With the size of the fault zone you set the desired kri table current density. In addition, it is also possible to critical current density of grain boundaries formed at steps by the angle that is adjacent to the step Include trace parts (see e.g. DE-A-42 19 006). in the general should for a gradiometer according to the invention SQUID device the critical current density accordingly trained grain boundary Josephson elements not below 1000 A / cm².

Zum anderen sollen erfindungsgemäß zumindest die von den An tennenschleifen 3 und 4 eingenommenen Flächen F1 und F2 mit einer Schicht 15 aus einem normalleitenden Material vorbe stimmter elektrischer Leitfähigkeit abgedeckt sein. Die Ab deckung der Flächen kann dabei von oben oder von unten oder beidseitig erfolgen. Das normalleitende Material für die Schicht 15 wird so gewählt, daß einerseits die elektrische Leitfähigkeit der Schicht derart schlecht ist, daß praktisch keine niederfrequenten Rauschströme eingekoppelt werden kön nen. Andererseits muß jedoch die elektrische Leitfähigkeit so gut sein, daß hochfrequente Störungen in der mindestens einen Schicht 15 Abschirmströme anwerfen. Hierbei hängt die Wahl der elektrischen Leitfähigkeit bzw. der Materialzusammenset zung von der nicht exakten Grenze zwischen Hochfrequenz und Niederfrequenz ab. Im allgemeinen werden für erfindungsgemäße Einrichtungen Frequenzen von höchstens 1 kHz noch als nieder frequent angesehen. Die spezifische elektrische Leitfähigkeit κ_r sollte bei der Betriebstemperatur T der Gradiometer-SQUID- Einrichtung größer als die von reinem Kupfer (Cu) sein. Insbesondere sind Materialien mit einer spezifischen Leitfä higkeit κ_r zwischen etwa 10³ Ω^-1 _*cm^-1 und 10⁶ Ω^-1 _*cm^-1 bei der Temperatur T geeignet. Diese Werte lassen sich beispiels weise mit Cu- oder Ag-Legierungen realisieren. Die Schicht 15 aus dem normalleitenden Material kann unmittelbar auf der Leiterbahnstruktur abgeschieden werden, falls damit keine Beeinträchtigung des kristallinen Aufbaus des Hoch-T_C-Su praleitermaterials verbunden ist. Andernfalls muß eine dünne Zwischenschicht, für die bekannte insbesondere als "buffer layer" eingesetzte Materialien geeignet sind, vorgesehen werden. Die Dicke der Schicht 15 wird zweckmäßig mindestens 10 nm gewählt. On the other hand, according to the invention, at least the areas F1 and F2 occupied by the antenna loops 3 and 4 are to be covered with a layer 15 of a normal conductive material having a predetermined electrical conductivity. The surfaces can be covered from above or from below or on both sides. The normal conducting material for the layer 15 is chosen so that on the one hand the electrical conductivity of the layer is so bad that practically no low-frequency noise currents can be injected. On the other hand, however, the electrical conductivity must be so good that high-frequency interference in the at least one layer 15 causes shielding currents. The choice of electrical conductivity or material composition depends on the inaccurate boundary between high frequency and low frequency. In general, frequencies of at most 1 kHz are still regarded as low frequencies for devices according to the invention. The specific electrical conductivity κ _r should be greater than that of pure copper (Cu) at the operating temperature T of the gradiometer SQUID device. In particular, materials with a specific conductivity κ _r between about 10³ Ω ^-1 _* cm ^-1 and 10⁶ Ω ^-1 _* cm ^-1 at temperature T are suitable. These values can be realized with Cu or Ag alloys, for example. The layer 15 made of the normally conductive material can be deposited directly on the conductor structure, provided that there is no impairment of the crystalline structure of the high-T _C -Su praleiter material. Otherwise, a thin intermediate layer must be provided, for which known materials, particularly those used as "buffer layers", are suitable. The thickness of the layer 15 is expediently chosen to be at least 10 nm.

Bei dem vorstehend anhand der Fig. 1 erläuterten Ausfüh rungsbeispiel wurde davon ausgegangen, daß mit dem Koppelele ment 5a lediglich die Schleife 6 eines einzigen SQUIDs 9 ge schlossen wird. Selbstverständlich ist es auch möglich, daß eine erfindungsgemäße Gradiometer-SQUID-Einrichtung unter Beibehaltung einer hohen Symmetrie auch mehrere SQUIDs auf weist. Drei entsprechende Ausführungsbeispiele sind in den Fig. 2 bis 4 angedeutet.In the example described above with reference to FIG. 1, it was assumed that the loop 6 of a single SQUID 9 is only closed with the coupling element 5 a. Of course, it is also possible that a gradiometer SQUID device according to the invention also has a plurality of SQUIDs while maintaining a high degree of symmetry. Three corresponding exemplary embodiments are indicated in FIGS. 2 to 4.

Bei der aus Fig. 2 zu entnehmenden Gradiometer-SQUID-Ein richtung 20 ist ihr Koppelelement 5a mit drei DC-SQUIDs 29a bzw. 29b bzw. 29c belegt. Diese Ausführungsform ist aus Red undanzgründen besonders geeignet, wenn die Gestaltung der einzelnen Josephson-Elemente 7, 8 technisch schwierig ist.In the gradiometer SQUID device 20 shown in FIG. 2, its coupling element 5 a is occupied by three DC SQUIDs 29 a or 29 b or 29 c. This embodiment is particularly suitable for reasons of redundancy if the design of the individual Josephson elements 7 , 8 is technically difficult.

Die SQUIDs 29a bis 29c brauchen auch nicht nur wie gemäß Fig. 2 angenommen, diskret mit dem Koppelelement 5a galvanisch verbunden zu sein. Nach Fig. 3 ist auch eine Parallelschal tung von spannungsgesteuerten DC-SQUIDs 39a bis 39d einer er findungsgemäßen Gradiometer-SQUID-Einrichtung 30 möglich. Bei einer solchen Ausführungsform der Einrichtung ergibt sich eine Verbesserung des Signal/Rausch-Verhältnisses um einen Faktor √, wobei N die Anzahl der parallelgeschalteten SQUIDs (hier: 39a bis 39d) ist.The SQUIDs 29 a to 29 c need not only be galvanically connected to the coupling element 5 a, as assumed in accordance with FIG. 2. According to FIG. 3, a parallel connection of voltage-controlled DC-SQUIDs 39 a to 39 d of a gradiometer SQUID device 30 according to the invention is also possible. In such an embodiment of the device there is an improvement in the signal-to-noise ratio by a factor √, where N is the number of SQUIDs connected in parallel (here: 39 a to 39 d).

Ferner ist es nicht erforderlich, daß die mehreren SQUIDs einer erfindungsgemäßen Gradiometer-SQUID-Einrichtung nur auf einer Seite bezüglich eines Koppelelementes angeordnet sind. So zeigt Fig. 4 eine Ausführungsform einer Gradiometer- SQUID-Einrichtung 40 mit z. B. einem Paar von über ein Koppel element 5a in Reihe geschalteten, stromgesteuerten DC-SQUIDs 49a und 49b. Es ergibt sich hiermit eine Verbesserung des Si gnal/Rausch-Verhältnisses um einen Faktor √. Selbstver ständlich können auch mehrere entsprechende Paare von SQUIDs mit einem Koppelelement verbunden sein.Furthermore, it is not necessary that the multiple SQUIDs of a gradiometer SQUID device according to the invention are arranged on only one side with respect to a coupling element. Thus, Fig. 4 shows an embodiment of a gradiometer SQUID device 40 with z. B. a pair of a coupling element 5 a connected in series, current-controlled DC-SQUIDs 49 a and 49 b. This results in an improvement in the signal-to-noise ratio by a factor √. Of course, several corresponding pairs of SQUIDs can also be connected to one coupling element.

Claims

1. Gradiometer SQUID device with a single-layer structure of conductor tracks made of a high-T _C superconductor material with which

- a gradiometer with two identical antenna loops connected in parallel,
- A coupling element connected to the two antenna loops and
- At least one DC-SQUID with two Josephson elements galvanically connected to the coupling element

are formed, characterized in that Josephson elements ( 7 , 8 ) are provided with such high critical current density that the magnetic flux caused by the earth's magnetic field in these elements is smaller than a flux quantum, and that at least that of the Antenna loops ( 3 , 4 ) occupied areas (F1, F2) are covered with at least one thin layer ( 15 ) of a normally conductive material with such an electrical conductivity that in this layer ( 15 ) only high-frequency shielding currents are to be started in Chen Chen .

2. Device according to claim 1, characterized by an embodiment of the Josephson elements ( 7 , 8 ) as grain boundary elements.

3. Device according to claim 2, characterized in that in each Josephson element ( 7 , 8 ) the grain boundary is formed by a boundary line between two interconnect regions with different crystalline orientation.

4. Device according to claim 2, characterized in that in each Josephson element ( 7 , 8 ) the grain boundary is formed by a mechanically incorporated fault zone in a conductor track.

5. Device according to claim 2, characterized in that in each Josephson element ( 7 , 8 ) the grain boundary is formed with two aneinan derutting conductor track regions on a step edge.

6. Device according to one of claims 1 to 5, characterized in that the shielding layer ( 15 ) is arranged on or below the conductor track structure.

7. Device according to one of claims 1 to 5, ge characterized by two shielding layers both sides of the trace structure.

8. Device according to claim 6 or 7, characterized in that the at least one shielding layer ( 15 ) made of a material with an electrical conductivity of at least 1 _* 10³ Ω ^-1 _* cm ^-1 and at most 1 _* 10⁶ Ω ^-1 _* cm ^-1 exists.

9. Device according to one of claims 6 to 8, characterized in that the at least one shielding layer ( 15 ) consists of a Cu alloy or an Ag alloy.

10. Device according to one of claims 6 to 9, characterized in that the at least one shielding layer ( 15 ) has a thickness of at least 10 nm.

11. Device according to one of claims 6 to 10, characterized in that in the at least one shielding layer ( 15 ) are essentially only shield currents from a frequency above 1 kHz to be started.

12. Device according to one of claims 1 to 11, characterized in that with the Kop pelelement ( 5 a) a plurality of SQUIDs ( 29 a to 29 c; 39 a to 39 d; 49 a, 49 b) are connected.

13. The device according to claim 12, characterized by a parallel connection of several SQUIDs ( 29 a to 29 c, 39 a to 39 d) on the coupling element ( 5 a).

14. Device according to claim 12, characterized by at least one pair of two SQUIDs ( 49 a, 49 b) connected in series via the coupling element ( 5 a).