SQUID-Mischer mit drei Übergängen
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Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf ein SQUID
(supraleitendes Quanteninterferometer) mit drei Übergängen und
betrifft im besonderen eine SQUID-Mischerschaltung mit drei
Übergängen.
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Der Mischer kann für die Aufwärtswandlung von sehr
niederfrequenten Signalen oder für die Abwärtswandlung von hochfrequenten
Signalen verwendet werden, um Probleme, die mit übermäßigem
Rauschen von hochauflösenden oder durch Quantenrauschen begrenzten
SQUID-Systemen verbunden sind, zu minimieren oder zu lösen.
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Die vorliegende Erfindung löst ein signifikantes Problem, das
mit übermäßigem Rauschen bei der Erkennung von
Magnetflußsignalen verbunden ist, wie es bei biomagnetischen oder militärischen
Anwendungen vorhanden sein kann. Für die Minimierung und Lösung
von Problemen, die, wie hiernach diskutiert werden wird, mit
übermäßigem Rauschen bei der Detektion von Magnetflußsignalen in
hochauflösenden oder durch Quantenrauschen begrenzten
SQUID-Systemen verbunden sind, ist keine wirksame alternative Lösung
bekannt.
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Das U.S.-Patent 4 117 354 mit dem Titel "Two--Part Current
Injection Interferometer Amplifiers and Logic Circuits" offenbart
Interferometer mit Josephson-Übergang, die nichtlineare
Schaltoder Schwellwert-Charakteristika besitzen. Die nichtlineare
Schwellwert-Charakteristik wird in bevorzugter Weise durch
Anlegen eines Injektionsstroms an einen Punkt des Interferometers
erreicht, der verschieden ist von dem Punkt, an dem der
Schaltstrom normalerweise angelegt wird. Die sich ergebende
Nichtlinearität stellt die große Verstärkung bereit.
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Die nichtlineare Schaltcharakteristik kann auch dadurch erreicht
werden, daß ein Injektionsstrom an denselben Punkt des
Interferometers angelegt wird, an den der Schaltstrom normalerweise
angelegt wird. Jedoch wird, um eine gewünschte nichtlineare
Schaltcharakteristik zu erreichen, ein Teil des angelegten
Injektionsstroms elektromagnetisch in die
Interferometer-Induktivität eingekoppelt.
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Das U.S.-Patent 4 117 503 mit dem Titel "Josephson
Interferometer Structure which Suppresses Resonances" offenbart, daß bei
Josephson-Interferometern mit induktiven, kapazitiven und
resistiven Komponenten Resonanzerscheinungen mit relativ großen
Amplituden auftreten, die jenen ähneln, die in mit Gas gefüllten
Leitungen beobachtet werden. Interferometerstrukturen zeigen
dasselbe Resonanzverhalten wie lange Tunnelübergänge, mit der
Ausnahme, daß nur so viele diskrete Resonanzspannungen wie
Maschen im Interferometer vorhanden sind. Folglich besitzt ein
Interferometer mit zwei Übergängen eine Resonanz, wogegen in
einem Interferometer mit drei Übergängen zwei Resonanzen
auftreten. In der Strom-Spannungs-Kennlinie eines
Josephson-Bauelementes, wie beispielsweise eines Interferometers, erscheinen
solche Resonanzen als Stromstufen, die beim Entwurf von
Josephson-Schaltstufen hauptsächlich deshalb berücksichtigt werden
müssen, um Situationen zu verhindern, in denen die
Last-Kennlinie einer externen Last eine Resonanzspitze schneidet. Dort wo
sich die Last-Kennlinie und die Resonanzspitze schneiden, kann
das Bauelement, weil ein solcher Schnittpunkt einen stabilen
Zustand repräsentiert, nicht auf die volle gewünschte Spannung
schalten. Solche Resonanzen können in Interferometern wirksam
unterdrückt werden, indem ein Widerstand bereitgestellt wird,
der zu der Hauptinduktivität des Interferometers
parallelgeschaltet wird. In einem Interferometer mit zwei Übergängen
wird der Widerstand günstigerweise zwischen die Metallisierungen
der Basiselektroden geschaltet, welche dazu verwendet werden, um
eine der Elektroden jedes der Elektrodenpaare zu bilden, die für
jeden Interferometerübergang benötigt werden. Im Fall, daß mehr
als zwei Übergänge verwendet werden, wird ein die Resonanz
unterdrückender Widerstand jeweils zwischen Übergangspaare und
über die Hauptinduktivität, welche die Übergänge verbindet,
geschaltet. Es werden sowohl die Struktur eines Interferometers
mit zwei Übergängen mit einem Widerstand zur Unterdrückung der
Resonanz als auch der schematische Aufbau eines Interferometers
mit mehreren Übergängen dargestellt, was klar zeigt, wie solche
Strukturen hergestellt werden können.
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Das U.S.-Patent 4 916 335 mit dem Titel "Superconducting
Circuit" beschreibt eine supraleitende Schaltung vom Typ eines
Quantenfluß-Parametrons, in welcher ein Pfad mit einem
Josephson-Bauelement zu den Erreger-Induktionsspulen des
Quantenfluß-Parametrons parallelgeschaltet wird oder in welcher die
Induktionsspulen der Erregerleitung mit den
Erreger-Induktionsspulen magnetisch gekoppelt werden, wodurch sich eine
Phasenregelung ergibt.
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Das Japanische Patent 63-261885 mit dem Titel "Three-Junction DC
SQUID Gate" beschreibt eine geschlossene supraleitende
Schaltung, die aus ersten, zweiten und dritten Leitungszweigen
besteht, die mit den beiden Enden einer Schaltstromleitung
verbunden und zueinander parallelgeschaltet sind. Die erste
Abzweigleitung enthält eine Reihenschaltung einer Induktivität und
eines Josephsonelementes, das einen kritischen Stromwert besitzt.
Die zweite Abzweigleitung enthält nur ein Josephsonelement, das
einen zweiten kritischen Stromwert besitzt. Die dritte
Abzweigleitung enthält eine Reihenschaltung einer Induktivität und
eines Josephsonelementes, das einen dritten kritischen Stromwert
besitzt. Die Induktivitäten bilden ein Gleichstrom-SQUID-Gatter,
das über die magnetische Induktion mit einer Steuerstromleitung
verkoppelt ist. Dabei wird ein ausreichend breiter
Betriebsbereich erreicht, wobei eine hohe Verstärkung oder eine hohe
Empfindlichkeit erhalten bleiben.
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Die Europäische Patentanmeldung 0 076 160 mit dem Titel
"Josephson Junction Logic Device" offenbart ein logisches
Bauelement mit Josephson-Übergang, das mindestens erste und zweite
supraleitende Schleifen und mindestens zwei Leitungen für
logische Eingangssiqnale enthält, wobei jede der Leitungen für die
logischen Eingangssignale gegenüber einer der supraleitenden
Schleifen angeordnet ist, so daß jede der Leitungen für die
logischen Eingangssignale mit nur einer der supraleitenden
Schleifen magnetisch gekoppelt werden kann, und von der anderen
supraleitenden Schleife magnetisch unabhängig ist, wobei der
zulässige Bereich, in dem das Bauelement im supraleitenden Zustand
gehalten wird, erweitert wird.
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Das IBM Technical Disclosure Bulletin 21062534 von P. Gueret mit
dem Titel "New Type of Single Flux Quantum Cell with Large
Margins" beschreibt ein mittig gespeistes Interferometer mit drei
Übergängen, das Übergänge besitzt, die mit einer
Mitten-Induktivität in Reihe geschaltet sind.
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Das IBM Technical Disclosure Bulletin 274A2157 von 5. B. Kaplan
beschreibt ein logisches Bauelement mit mehreren Übergängen, das
zwei supraleitende Schleifen mit drei Jösephson-Übergängen und
zwei Eingangssignalleitungen benutzt. Kaplan offenbart auch ein
ähnliches SQUID, das lediglich eine einzelne Eingangsspule
besitzt, in welcher die Schaltung ein Eingangssignal in der
Eingangsspule benutzt, um das SQUID von einem Null-Spannungszustand
in einen Spannungszustand zu schalten. Dies ist eine gemeinsame
Eigenschaft aller dem Stand der Technik entsprechenden Quellen,
welche auf das Schalten von Computern und auf Anwendungen in
Speicherschaltungen zielen, in welchen eines der zwei
Eingangssignale in Form eines Flusses vorliegt, der über eine Spule in
das SQUID eingekoppelt wird, während das andere Eingangssignal
über einen Schaltstrom direkt an die SQUID-Übergänge angelegt
wird. Die darin offenbarte Schaltungsanordnung mit drei
Josephson-Übergängen gleicht der der vorliegenden Erfindung,
jedoch offenbart, lehrt oder betrachtet Kaplan in keiner Weise die
Schaltungsanordnung als ein Mischer-Bauelement zum
Aufwärtswandeln sehr niederfrequenter Signale, wodurch die Probleme mit
niederfrequenten Rauschbegrenzungen minimiert und gelöst werden,
oder zum Abwärtswandeln von hochfrequenten Signalen.
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Das IBM Technical Disclosure Bulletin 25062940 von W. H. Chang
beschreibt ein Josephson-Interferometer mit drei Übergängen mit
zwei supraleitenden Schleifen, welche eine geringe Fehlanpassung
ihrer LIo-Produkte aufweisen, um ein geringfügig asymmetrisches
Interferometer bereitzustellen.
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Keine der dem Stand der Technik entsprechenden Quellen, die oben
diskutiert wurden, offenbart oder lehrt Schaltungen, die in
einer der vorliegenden Erfindung entsprechenden Weise, wie diese
beansprucht wird, betrieben werden, wobei ein supraleitendes
Quanteninterferometer mit drei Übergängen, das ein nichtlineares
Element, wie beispielsweise einen Josephson-Übergang umfaßt, in
Kombination mit zwei weiteren Übergängen verschaltet und mit
zwei Eingangsspulen verbunden wird, um eine Schaltung
bereitzustellen, die als Mischer zum Mischen von zwei
Magnetfluß-Eingangssignalen angewandt werden kann.
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Im Gegensatz zum Stand der Technik, speziell zu Kaplan,wird in
der beanspruchten Erfindung das SQUID auf einen gewissen festen
Strompegel vorgespannt, welcher den veränderlichen Schaltstrom
aller dem Ständ der Technik entsprechenden Bauelemente ersetzt.
Außerdem verändert sich die Spannung über dem SQUID, weil die
beiden Eingangsmägnetflüsse mittels der nichtlinearen
Charakteristika des SQUID mit drei Übergängen gemischt werden, was sich
von dem Schwellwert-Schalten der dem Stand der Technik
entsprechenden Bauelemente sehr stark abhebt.
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Dementsprechend ist es eine Hauptaufgabe der vorliegenden Erfin-
dung, ein SQUID mit drei Übergängen bereitzustellen, wobei ein
nichtlineares Element, wie beispielsweise ein Josephson-Übergang
an ein Gleichstrom-SQUID gekoppelt wird, das aus zwei weiteren
Übergängen und zwei Eingangsspulen gebildet wird, um eine
Schaltung bereitzustellen, die als Mischer zum Mischen von zwei
Magnetfluß-Eingangssignalen angewandt werden kann. Das Bauelement
kann für die Aufwärtswandlung von sehr niederfrequenten Signalen
oder für die Abwärtswandlung von hochfrequenten Signalen
verwendet werden, um Probleme, die mit übermäßigem Rauschen von
hochauflösenden oder durch Quantenrauschen begrenzten SQUID-Systemen
verbunden sind, zu minimieren und zu lösen.
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Die vorstehenden Aufgaben und Vorteile der vorliegenden
Erfindung, einen SQUID-Mischer mit drei Übergängen betreffend, kann
der Fachmann leichter verstehen, wenn er sich auf die folgende
detaillierte Beschreibung verschiedener bevorzugter
Ausführungsformen derselben bezieht, und diese zu den begleitenden
Zeichnungen in Verbindung setzt, worin gleiche Elemente der
verschiedenen Ansichten durch identische Referenznummern gekennzeichnet
sind, und in welchen:
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Figur 1 einen Schaltplan eines typischen, dem Stand der
Technik entsprechenden Gleichstrom-SQUID darstellt, das
zwei Josephson-Übergänge umfaßt, die in einer
supraleitenden Schleife miteinander verschaltet sind,
welches mit einem Strom I vorgespannt wird und mit dem
Fluß Φ arbeitet;
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Figur 2a die Strom-Spannungs-Kennlinie eines Gleichstrom-SQUID
mit den Flüssen nΦo und (n+½)Φo darstellt;
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Figur 2b die Spannung V über einem Gleichstrom-SQUID als
Funktion des Flusses Φ/Φo auf dem festen Stromvorspannwert
darstellt, der in Figur 2a durch die Strichlinie
gekennzeichnet ist;
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Figur 3 eine erste Ausführungsform eines SQUID-Mischers mit
drei Übergängen gemäß den Lehren der vorliegenden
Erfindung darstellt;
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Figur 4 eine zweite umfangreichere Ausführungsform eines
SQUID-Mischers mit drei Übergängen gemäß den Lehren
der vorliegenden Erfindung darstellt;
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Figur 5 eine Darstellung der Fluß-Rauschenergie ε als Funktion
der Frequenz f zeigt und verdeutlicht, wie der Mischer
der vorliegenden Erfindung die mit der spektralen
Leistungsdichte des Rauschens verbundenen Probleme
minimiert und löst;
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Figur 6 eine Kurvenschar der mittleren Spannung als Funktion
der Summe der Flüsse ΦS und ΦM für verschiedene Werte
von ΦM darstellt, welche für die Erklärung der
Arbeitsweise der vorliegenden Erfindung von Nutzen ist;
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Figur 7 eine Kurvenschar der mittleren Spannung als Funktion
der Summe der Flüsse ΦS und ΦM für verschiedene Werte
von ΦM darstellt, welche für die Erklärung der
Arbeitsweise eines konventionellen Gleichstrom-SQUID in einem
Flußregelkreis von Nutzen ist; und
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Figur 8 den Verlauf der Ausgangssignalspannung als Funktion
der Zeit für den konventionellen Gleichstrom-SQUID
darstellt.
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Supraleitende Quanteninterferometer (SQUIDs) sind dem Stand der
Technik entsprechend wohlbekannt und haben normalerweise ein
oder zwei Josephson-Übergänge (oder andere nichtlineare Elemente
wie beispielsweise eine schwache Flußverkettung, welche eine
hysteresefreie strom-spannungs-Kennlinie ähnlich einem
Josephson-Übergang besitzt), welche bei einer Temperatur von weni-
gen Grad Kelvin arbeiten und einen Magnetflußdetektor höchster
Empfindlichkeit bereitstellen. Durch Verbinden dessen mit einer
geeigneten Schaltung sind empfindliche Messungen physikalischer
Parameter, einschließlich von Spannung, Widerstand,
Magnetfeldgradienten, magnetischer Suszeptibilität und Verschiebungen,
über weite Bereiche möglich.
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Das SQUID mit zwei Übergängen oder Gleichstrom-SQUID wurde 1964
erstmalig bekannt und in der Tieftemperatur-Physik ziemlich
häufig angewandt. Im Jahr 1970 wurde das SQUID mit einem Übergang
oder Hochfrequenz-SQUID bekannt, das kommerziell verfügbar ist
und deshalb viel verbreiteter eingesetzt wurde, als das
Gleichstrom-Bauelement, speziell durch Nichtspezialisten außerhalb der
Grenzen von Tieftemperatur-Laboratorien. In der Mitte der 70ger
Jahre führte jedoch die Erkenntnis, daß das Gleichstrom-SQUID
potentiell weit empfindlicher ist als das Hochfrequenz-SQUID
zusammen mit den Fortschritten in der Dünnschicht-Technologie,
welche dazu führten, daß die Herstellung von zwei Übergängen
nicht mehr schwieriger war als die Herstellung eines einzelnen
Übergangs, zu einer umfangreichen Entwicklung des Gleichstrom-
SQUID.
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Die makroskopische Theorie der Supraleitung, die von John
Bardeen, Leon Cooper und Robert Schrieffer entwickelt wurde, sagt
aus, das unterhalb der Supraleitungs-Übergangstemperatur, welche
bei konventionellen supraleitenden Materialien typischerweise
einige wenige Grad Kelvin beträgt, zumindest einige der frei
beweglichen Elektronen in einem supraleitendenmaterial
paarweise verbunden sind. Jedes dieser "Cooper-Paare" besteht aus
zwei Elektronen mit entgegengesetztem Spin und in Abwesenheit
von angelegten Strömen oder magnetischen Feldern gleichen und
entgegengesetzten Momenten, so daß sowohl der resultierende Spin
als auch das resultierende Moment Null sind. Die Paare werden in
einen einzelnen makroskopischen Quantenzustand versetzt, der
durch die makroskopische Wellenfunktion
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ψ(r,t) = [ψ(r,t)]eiΦ(r,t)
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Die Phase Φ(r,t) ist im Supraleiter kohärent. Somit ist die
Supraleitung ein makroskopisches Quanten-Phänomen.
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Die Fernordnung der Energiezustände hat viele bedeutende
Konsequenzen. Erstens führt sie zu einer unbegrenzten elektrischen
Leitfähigkeit. Ein Strom, der in einen supraleitenden Ring
induziert wird, wird durch Cooper-Paare getragen und besteht für
immer. Der Magnetfluß durch den Ring, der durch diesen Strom
erzeugt wird, kann jedoch keine beliebigen Werte annehmen,
sondem wird in Vielfache des Flußquantums Φo gequantelt, welches
das Verhältnis der Planck-Konstante zur Ladung des Cooper-Paars
darstellt: h/2e oder ungefähr 2x10&supmin;¹&sup5; Wb. Somit ist der
eingeschlossene Fluß Φ ein ganzzahliges Vielfaches des Flußquantums:
= nΦo, n = 0, 1, 2, .... Dieses Phänomen der Flußquantelung ist
eine weitere Folge der;makroskopischen Wellenfunktion; die
Forderung, daß ψ,(r,t) einen einzelnen Wert hat, bedeutet, daß die
Phase Φ(r,t) sich genau um 2πn verändern muß, wenn man einmal um
den Ring geht.
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Eine dritte Konsequenz der Fernbereichs-Phasenkohärenz ist der
Josephson-Tunneleffekt, der 1962 erstmalig von Brian Josephson
erwähnt wurde. Wenn man zwei Supraleiter betrachtet, die durch
eine dünne Isblationsschicht getrennt sind, welche Cooper-Paare
quantenmechanisch durchtunneln können, so wird durch diesen
Prozeß die Phasenkohärenz zwischen den zwei Supraleitern erhalten.
Josephson hat gezeigt, daß die Differenz δ zwischen den Phasen
auf beiden Seiten des Übergangs mit dem Supraleitungsstrom I
verbunden ist, der durch die Sperrschicht fließt, wobei gilt sin
δ = I/Io, worin Io der kritische Strom ist, das heißt, der
maximale Supraleitungsstrom, den der Übergang aufrechterhalten kann.
Bei angelegten Strömen, die größer sind als der kritische Strom,
tritt über dem Übergang eine Spannung V auf, und die
Phasendifferenz δ wächst mit der Zeit entsprechend dδ/dt = 2nv/Φo.
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Die Flußquantelung und der Josephson-Tunneleffekt sind
wesentliche Betriebscharakteristika eines SQUID.
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Zwei Josephson-Tunnelübergänge, die in einem Gleichstrom-SQUID
parallelgeschaltet sind, zeigen eine Quanteninterferenz. Wenn
der Magnetfluß Φ durch die supraleitende Schleife verändert
wird, oszilliert der kritische Strom mit einer Periode gleich
dem Flußquantum Φo. Diese Oszillationen ergeben sich aus der
Interferenz zwischen den makroskopischen Wellenfunktionen an den
zwei Übergängen, genau wie die Interferenz von zwei kohärenten
Lichtstrahlen in einer optischen Anordnung zu hellen und dunklen
Bereichen führt.
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Figur 1 ist eine schematische Darstellung eines Gleichstrom-
SQUID, der mit einem Strom I und einem Fluß Φ vorgespannt ist.
Zu jedem der zwei Josephson-Tunnelübergänge (dargestellt durch
die Kreuze) liegt die Eigenkapazität C und ein externer
Widerstand R parallel. Die Induktivität der Schleife ist L. Die in
Figur 2a dargestellten Strom-Spannungs-Kennlinien sind die eines
SQUIDs mit den Flüssen nΦo und (n+½)Φo. Das Diagramm in Figur 2b
zeigt die Spannung V über dem SQUID als Funktion des Flusses Φ/Φo
bei der festgelegten Strom-Vorspannung, die durch die
Strichlinie in Figur 2 gekennzeichnet ist.
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Bei der konventionellen Arbeitsweise eines Gleichstrom-SQUID muß
dessen Strom-Spannungs-Kennlinie hysteresefrei sein. Dies kann
sichergestellt werden, indem ein externer Parallelwiderstand mit
einem ausreichend kleinen Widerstandswert hinzugefügt wird. Wenn
der Fluß durch das SQUID verändert wird, oszilliert die Strom-
Spannungs-Kennlinie zwischen zwei Grenzwerten, die in Figur 2a
gekennzeichnet sind. Somit zeigt die Spannung über dem SQUID wie
in Figur 2b dargestellt eine periodische Abhängigkeit von dem
angelegten Fluß, wenn das SQUID mit einem konstanten Strom
vorgespannt wird. Das Bauelement wird normalerweise mit einer
Flußvorlast von ungefähr (2n+1)Φo/4 betrieben, für welche die Abhän-
gigkeit der Spannung zum angelegten Fluß weitgehend linear ist.
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Somit ist das SQUID ein Fluß-Spannungs-Wandler, der eine
Veränderung des magnetischen Flusses in eine Spannungsänderung
umsetzt, die mit einer konventionellen Elektronik leicht zu
detektieren ist. Weil jedoch häufig ein Dynamikbereich der
Flußmessung erforderlich ist, der beträchtlich größer als ein Bruchteil
eines Flußquantums ist, wird das SQUID normalerweise als
Nulldetektor in einer Rückkopplungsschaltung betrieben. Bei dieser
Arbeitsweise wird jede Spannungsänderung über dem SQUID, die
durch einen angelegten Magnetfluß hervorgerufen wird, verstärkt
und in einen Strom durch eine Spule gewandelt, die an das SQUID
gekoppelt ist, um einen gleichen und entgegengesetzten Fluß zu
erzeugen. Um Driften und niederfrequentes Rauschen in der
Elektronik zu verhindern, wird das SQUID in einem Flußregelkreis
betrieben, und man legt einen veränderlichen Fluß an das SQUID
an und verstärkt die sich ergebende Spannung über dem
Bauelement. Auf diese Art und Weise kann nicht nur eine Flußänderung
detektiert werden, die viel kleiner ist als das Flußquantum Φo,
sondern es kann auch ein angelegter Magnetfluß gemessen werden,
der einem Vielfachen des Flußquantums entspricht. Der
Frequenzgang eines flußgeregelten SQUIDs erstreckt sich typischerweise
von Null bis zu mehreren Zehn Kilohertz.
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Das Konzept der "Fluß-Rauschenergie" ist für die Betrachtung der
Auflösung eines Gleichstrom-SQUIDs sinnvoll. Wenn die kleinste
Flußänderung, die pro Bandbreiteneinheit bei der Frequenz f
durch ein SQUID aufgelöst werden kann, δΦ(f) ist, kann eine
Fluß-Rauschenergie pro Bandbreiteneinheit definiert werden, die
durch ε(f) = (δΦ)²/2L gegeben ist, worin L die Induktivität des
SQUID ist. Je kleiner der Wert der Fluß-Rauschenergie ε(f) ist,
je besser ist die Auflösung. Das äquivalente Flußrauschen δΦ
entspricht gerade dem Verhältnis des Spannungsrauschens δV über
dern SQUID pro Bandbreiteneinheit zur
Fluß-Spannungs-Übertragungsfunktion ∂V/∂Φ.
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Um das Spannungsrauschen und die Übertragungsfunktion zu
berechnen, wurden die SQUID-Gleichungen unter der Annahme gelöst, daß
die einzigen Rauschquellen die zwei unabhängigen Nyquist- oder
thermischen Rauschströme sind, die durch die Parallelwiderstände
hervorgerufen werden. Aus dieser Analyse wurde geschlußfolgert,
daß mit geeigneten Strom- und Fluß-Vorspannwerten das SQUID
seine optimale Rauschenergie erreicht, wenn 2LIo Φo ist. Die
optimale Rauschenergie ergibt sich dann zu
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ε 10 kB T (LC)½.
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Hierin sind kB die Boltzmann-Konstante, C die Kapazität eines der
Tunnelübergänge und T die absolute Temperatur. Die Aussage
dieser Gleichung ist offensichtlich: Je kleiner, um so besser.
Somit wird, wenn man die Induktivität der SQUID-Schleife oder die
Fläche und folglich die Kapazität der Übergänge verringern kann,
die Rauschenergie entsprechend reduziert. Das Abkühlen des
Bauelementes auf eine niedrigere Temperatur sollte eine weitere
Verbesserung ergeben.
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Die Vorhersage für die Rauschenergie motivierte eine Vielzahl
von Gruppen unter Verwendung der Dünnschicht-Technologie eine
große Palette von Bauelementen herzustellen, wobei der IBM eine
Pionierrolle zukam. Mit Verfahren der Photolithographie oder der
Elektronenstrahllitographie können Tunnelübergänge mit Flächen
von vielleicht 5 Quadratmikrometer bis hinab zu 0,1
Quadratmikrometer oder sogar darunter hergestellt werden. Die oben
stehende Gleichung beschreibt die Abhängigkeit der Rauschenergie
von der Induktivität L und der Kapazität C ziemlich genau. In
einem Zeitraum von wenigen Jahren wurde die optimale
Rauschenergie um ungefähr vier Größenordnungen verringert.
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Wie alle elektronischen Geräte zeigen SQUIDs ein "1/f-Rauschen",
das heißt, eine Rauschen mit einer spektralen Verteilung der
Leistungsdichte, die umgekehrt proportional zur Frequenz ist.
Der Ursprung dieses Rauschens, welches die Auflösung bei
niedrigen Frequenzen begrenzt, wird erst seit kurzem besser
verstanden. Der kritische Strom eines einzelnen
Josephson-Tunnelübergangs zeigt ein 1/f-Rauschen, daß aus dem Abfangen und der
Freigabe von Elektronen in der Isolationsschicht herrührt, jedoch
ist dieser Effekt zu klein, als daß er für das 1/f-Rauschen
verantwortlich gemacht werden kann, daß bei vielen SQUIDs
beobachtet wird. Somit scheint es eine zusätzlichequelle für das 1/f-
Rauschen zu geben, denkbar wäre die Bewegung des Magnetflusses,
der durch das SQUID eingefangen wird. Moderne SQUIDs, die aus
supraleitenden Materialien mit geringem Tc hergestellt wurden,
haben ein sehr kleines 1/f-Rauschen gezeigt. Die 1/f-Rauschpegel
von SQUIDs, die aus Materialien mit hohem Tc hergestellt wurden,
sind beträchtlich höher. Die physikalischen Unterschiede
zwischen diesen und anderen, viel stärker rauschenden Bauelementen
werden noch immer untersucht.
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Das Hochfrequenz-SQUID besteht aus einer supraleitenden
Schleife, die durch einen einzelnen Josephson-Übergang unterbrochen
ist. Die Schleife ist mit der Induktionsspule eines
LC-Schwingkreises verkoppelt, welcher durch einen Hochfrequenzstrom mit
ungefähr 30 MHz angeregt wird. Die Amplitude der Wechselspannung
über dem Schwingkreis ändert sich periodisch mit dem Fluß durch
das SQUID mit einer Periode von Φo, so daß das Hochfrequenz-SQUID
mit einer geeigneten Elektronik als Flußregelkreis betrieben
werden kann, und zwar in ziemlich dergleichen Weise wie das
Gleichstrom-SQUID. Die Empfindlichkeit des Hochfrequenz-SQUID
ist nicht annähernd so gut wie die des Gleichstrom-SQUID.
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Wissenschaftler vieler Gebiete haben sowohl Hochfreqüenz- als
auch Gleichstrom-SQUIDs in bemerkenswert vielen Fällen
eingesetzt. Labormessungen, die mit SQUIDsausgeführt werden,
umfassen die Bestimmung der magnetischen Suszeptibilität sehr kleiner
Proben innerhalb eines großen Temperaturbereiches, die Messung
der Verschiebung des Quasipartikel-Ladungsgleichgewichtes in
Supraleitern, die Detektion der magnetischen Kernresonanz und
der Quadrupol-Resonanz sowie die Rausch-Thermometrie, was die
Verwendung von Rauschmessungen zur Temperaturbestimmung
beinhaltet.
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Ein Gebiet wachsender Bedeutung ist der Biornagnetismus. Forscher
haben SQUIDs eingesetzt, um die magnetischen Felder zu
studieren, die vom Herzen und vom Gehirn erzeugt werden, um
Augenbewegungen und sogar magnetische Impulse, die von isolierten
Froschnerven erzeugt werden, zu detektieren, um nur einige wenige
Beispiele darzustellen. Ein weiteres wichtiges Gebiet ist die
Geophysik, die Magnetotellurik, der Bergmagnetismus und der
Paleomagnetismus. SQUIDs werden auch in relativ großräumigen
Experimenten eingesetzt, einschließlich bei Antennen für
Schwerkraftwellen, magnetischen Monopol-Detektoren sowie bei einem
Umlaufbahn-Kreiseltest der allgemeinen Relativitätstheorie.
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Bei vielen der oben erwähnten Experimente ist oder wäre ein
übermäßiges Rauschen, insbesondere das mit niederfrequenten
Rauschquellen in SQUIDs, die aus Materialien mit hohem Tc
hergestellt wurden, verbundene Rauschen ein signifikantes Problem.
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Zum Beispiel sind biomagnetische Signale extrem klein und
erstrecken sich von ungefähr 1 Picotesla, bei Signalen vom Herzen,
bis hinab zu 100 Femtotesla, bei Signalen vom Gehirn. Heutige
SQUIDs, die aus konventionellen supraleitenden Materialien
hergestellt werden, besitzen einen Rauschpegel, der wesentlich
niedriger liegt als diese Werte. Die Rauschpegel von SQUIDs aus
Materialien mit hohem Tc übersteigen die Pegel biomagnetischer
Signale bei den interessierenden Frequenzen (1Hz bis 1kHz).
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Figur 3 zeigt eine erste Ausführungsform eines SQUID-Mischers
mit drei Übergängen gemäß den Lehren der vorliegenden Erfindung.
Darauf bezügnehmend enthält ein konventionelles Gleichstrom-
SQUID einen ersten und einen zweiten Josephson-Übergang 10, 12
mit einer ersten und einer zweiten Eingangsspule L1, L2. Gemäß
der Lehren der vorliegenden Erfindung wird ein dritter
Josephson-Übergang 14 zu einer der Eingangsspulen L1 oder L2
parallelgeschaltet, um einen SQUID-Mischer mit drei Übergängen zu
bilden. Es soll hervorgehoben werden, daß auch wenn die Elemente
10, 12 und 14 als Josephson-Übergänge dargestellt sind, andere
nichtlineare Elemente, wie beispielsweise schwache
Flußverkettungen anstelle der Josephson-Übergänge verwendet werden können,
vorausgesetzt, sie haben eine nichtlineare
Strom-Spannungs-Kennlinie, die der eines Josephson-Übergangs gleicht. Der
Nebenübergang, der durch das dritte SQUID 14 gebildet wird, kann
hysteresebehaftet oder hysteresefrei (mit Parallelschaltung eines
kleinen externen Widerstandes) sein, und hat einen
hindurchfließenden Strom K.
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Im Betrieb werden die Magnetflußsignale Φ&sub1; und Φ&sub2; in die
Induktivitäten L1 beziehungsweise L2 eingekoppelt. Das Ausgangssignal
(die Spannung V) wird durch die angelegten Flüsse Φ&sub1;, Φ&sub2;, den
Vorspann-Strom I und die SQUID-Parameter bestimmt. Die
Arbeitsweise des SQUID mit drei Übergängen kann durch die folgende
allgemeine Erklärung verstanden werden. In dem SQUID mit drei
Übergängen wird die Netto-SQUID-Induktivität in der Schleife, die
die Übergänge 10 und 12 enthält von der Summe der beiden
Induktivitäten L&sub1; + L&sub2; auf ungefähr L&sub2; reduziert, wenn der
Nebenübergang 14 von einem Normalzustands-Widerstand in den
supraleitenden Zustand geschaltet wird. Die Veränderung der Induktivität
spiegelt sich in einer Veränderung der
Vorwärts-Übertragungsfunktion dV/dΦ wider. Somit hängt das Ausgangssignal, das durch
Φ&sub1; und Φ&sub2; erzeugt wird, davon ab, ob die Signalflüsse den
Übergang 14 schalten oder nicht. Wenn dieser Übergang eine starke
Hysterese aufweist, hat das Bauelement einen Schwellwert. Wenn
der Nebenübergang 14 hysteresefrei ist, erfolgt ein mehr
konventionelles Mischen der zwei Flußsignale.
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Im Betrieb der Schaltung von Figur 4 wird, wenn ein Mischstrom
Ic durch eine Spule geschickt wird, die induktiv mit den
Eingangsspulen L1a und L1b gekoppelt ist, in der oberen Schleife des
SQUID ein Fluß ΦM erzeugt, und wenn ein Signalstrom Id durch eine
Spule geschickt wird, die induktiv mit den Eingangsspulen L2a und
L2b gekoppelt ist, wird ein Fluß ΦS in der unteren Schleife des
SQUID erzeugt.
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Die Arbeitsweise der schaltungen der Figuren 3 und 4 hängt von
den Flüssen (Φ&sub1;, Φ&sub2;) und (ΦM und ΦS) ab, die in separate Spulen
oder Induktivitäten eingekoppelt werden und nicht in eine
einzelne Spule oder Induktivität, wie dies in dem in Figur 1
dargestellten SQUID erfolgen würde. Als ein Ergebnis dessen ist die
Ausgangsspannung V(ΦM, ΦS) eines SQUID mit drei Übergängen nicht
gleich der Ausgangsspannung Vo(ΦM + ΦS) eines konventionellen
Gleichstrom-SQUID.
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Bei einem konventionellen Gleichstrom-SQUID erhält man, wenn man
Vo(ΦM + ΦS) in eine Taylorreihe entwickelt
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Worin ΦT = (ΦM + ΦS) ist.
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Das konventionelle SQUID wird so vorgespannt, daß ∂Vo/∂ΦT maximal
und ∂²Vo/∂ΦT² Null werden.
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Der Term (ΔΦM + ΔΦS)² sowie die Terme höherer Ordnung sind
vernachlässigbar und tragen folglich nur minimal zu der durch das
Mischen der Eingangssignale erzeugten Spannung bei.
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Wenn man für V(ΦM, ΦS) eines SQUID mit drei Übergängen eine
Taylorentwicklung durchführt, erhält man
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In der oben stehenden Gleichung ist der Term
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der interessierende Mischungsterm, und der Vorspann-Arbeitspunkt
und die SQUID-Pararneter werden so ausgewählt, daß der
Mischungsterm maximal wird.
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Das Niederfrequenzrauschen mit einer spektralen Leistungsdichte
von 1/f ist eine der Funktion eines SQUID innewohnende
Eigenschaft und besitzt eine Kennlinie, wie sie in Figur 5 gezeigt
wird, welches eine Darstellung der Fluß-Rauschenergie ε als
Funktion der Frequenz f ist und verdeutlicht, wie der Mischer
der vorliegenden Erfindung die Probleme löst, die mit der
spektralen Verteilung des Rauschens verbunden sind.
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In einem konventionellen SQUID mit Niederfrequenzrauschen wird
die Antwortfunktion durch den linearen Term der
Reihenentwicklung dominiert. Folglich können zufällige Frequenzverschiebungen
der Ausgangsspannung nicht umgangen werden.
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Dieser widrige Umstand kann durch die vorliegende Erfindung
eliminiert werden.
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Wir beziehen uns auf Figur 5, die niedrige Frequenz des
Signalflusses ΦS
mit der Frequenz fS liegt innerhalb des
Kurvenabschnitts, der ein signifikantes Rausch-Ausgangssignal ε(f)
erzeugt, wogegen die Frequenz des Mischflusses ΦM so gewählt
wird, daß die Mischungsterme (fM ± fS) auf ausreichend hohen
Frequenzen außerhalb des Bereiches des niederfrequenten Rauschens
liegen.
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Figur 4 zeigt eine zweite umfangreichere Ausführungsform eines
SQUID-Mischers mit drei Übergängen gemäß der vorliegenden
Erfindung und verdeutlicht, daß über externe Vorspannleitungen drei
Signale Ic, Id, Ie in das Bauelernent eingegeben werden können. Die
Parameter Ic, Id, Ie repräsentieren drei Signalströme. Die
Ausführungsform von Figur 4 ist umfassender, indem die mit jedem
Josephson-Übergang verbundene Kapazität zusammen mit einem
Parallelwiderstand für jeden Übergang direkt darstellt und
ebenfalls die Spulen für die induktive Kopplung jeder Eingangsspule
L1a, L1b und L2a, L2b sowie eine dritte Eingangsspule L&sub3;, die mit
dern Josephson-Übergang 14 verbunden ist und eine dafür
vorhandenen Koppelspule dargestellt werden.
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Es sind ebenfalls Ausführungsformen möglich, in denen die
Koppelspulen für jede der Eingangs-Induktionsspulen L eliminiert
werden und Φ ein externer Fluß ist, der direkt in die SQUID-
Schleife eingekoppelt wird.
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Figur 6 zeigt eine Kurvenschar der mittleren Spannung als
Funktion der Summe der Flüsse ΦS und ΦM für verschiedene Werte von ΦM,
welche für die Erklärung der Arbeitsweise eines SQUID-Mischers
mit drei Übergängen gemäß der vorliegenden Erfindung von Nutzen
ist. Die Kurvenschar zeigt für verschiedene Werte von ΦM eine
Formänderung, was die nichtlineare Abhängigkeit von sowohl ΦS als
auch von ΦM verdeutlicht.
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Figur 7 zeigt eine Kurvenschar der mittleren Spannung als
Funktion der Summe der Flüsse ΦS und ΦM für verschiedene Werte von ΦM,
welche für die Erklärung der Arbeitsweise eines konventionellen
SQUID von Nutzen ist. Die mittlere Spannung für je den möglichen
Wert ΦM ist zwecks einer klareren Darstellung nach oben
verschoben. Die Kennlinien haben eine identische Form, was die
Abhängigkeit der Spannung von der Summe ΦM + ΦS verdeutlicht.
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Figur 8 zeigt ein konventionelles SQUID, das in einem
Phasenregelkreis betrieben wird und ebenfalls den Signalverlauf der
Ausgangsspannung. Im Betrieb innerhalb eines Phasenregelkreises
wird ein ΔΦs-Signal als ein Eingangssignal empfangen und
typischerweise mit 100 khz moduliert. Figur 8 zeigt das
Ausgangssignal, das zwischen einem HIGH-Wert V&sub0; + AV&sub0; und einem LOW-Wert
Vo - AVo oszilliert, wobei
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Der SQUID-Mischer mit drei Übergängen kann in gleicher Weise
ebenfalls innerhalb eines Phasenregelkreises mit einer
Modulationsfrequenz größer fM + fS betrieben werden.
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Mögliche Anwendungen der vorliegenden Erfindung umfassen die
Aufwärtswandlung von sehr niederfrequenten Signalen über den
Bereich des intrinsischen 1/f-Rauschens und die Abwärtswandlung
von hochfrequenten Signalen unter die Modulationsfrequenz von
Phasenregelkreisen, die normalerweise in
Gleichstrom-SQUID-Ausleseschaltungen verwendet werden.
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Wenn auch verschiedene Ausführungsformen und Abwandlungen eines
SQUID-Mischers mit drei Übergängen hierin detailliert
beschrieben worden sind, sollte es ersichtlich sein, daß die Offenbarung
und die Lehren der vorliegenden Erfindung dem Fachmann eine
Vielzahl alternativer Entwürfe nahelegen.