DE69410615T2

DE69410615T2 - Supraleitendes kreiselgerat mit doppeltem ubergang

Info

Publication number: DE69410615T2
Application number: DE69410615T
Authority: DE
Inventors: Martin Sanzari
Original assignee: Kearfott Guidance & Navigation
Current assignee: Kearfott Guidance & Navigation
Priority date: 1993-08-17
Filing date: 1994-08-15
Publication date: 1998-10-08
Anticipated expiration: 2014-08-16
Also published as: US5487304A; JPH09504363A; WO1995005577A1; DE69410615D1; EP0714501A1; EP0714501B1

Description

ERFINDUNGSGEBIET

Die vorliegende Erfindung betrifft Kreiselgeräte und insbesondere ein kostengünstiges und leichtgewichtiges supraleitendes Kreiselgerät, das eine supraleitende Abschirmung zum Abschirmen von externen Magnetfeldern und zum Eliminieren eines internen London-Momenten-Feldes aufweist, wenn die Abschirmung in Drehbewegung versetzt wird.

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Typischerweise enthält ein Leit- oder Navigationssystem ein Kreiselgerät zur Bestimmung der Größe der Winkelbewegung eines Fahrzeuges. Frühe Kreiselgeräte bestanden aus einem rotierenden Rad, das so montiert war, daß seine Achse sich frei in bestimmten oder allen Richtungen drehen konnte. Diese frühen Kreiselgeräte waren in der Lage, die gleiche Richtung im Raum trotz der Bewegungen seiner Aufhängungen und umgebenden Teile einuuhalten. Seine Bewegung basierte auf dem Prinzip, daß ein sich sclmell um eine Achse drehender Körper dazu tendiert, einer störenden Anderung oder Drehmoment zu widerstehen, indem er langsam in eine Richtung rechtwinklig zur Störung rotiert. Diese frühen Kreiselgeräte wurden meist in Verbindung mit nicht-präzisen Fahrzeugsteuerungsvorrichtungen verwendet. So waren diese frühen Kreiselgeräte im allgemeinen ausreichend, um einen relativ verläßlichen Richtungssteuerkurs zu bestimmten und einzuhalten.
Aufgrund von Ungenauigkeiten jedoch, die durch Reibung zwischen den sich bewegenden Teilen, Temperaturänderungen und ungeeigneten Herstellungstoleranzen erzeugt wurden, wurden diese frühen mechanischen Kreiselgeräte durch anderen Typen von Kreiselvorrichtungen ersetzt, die keine beweglichen Teile erfordern. Eine Beschreibung eines dieser anderen Typen von Kreiselvorrichtungen, die auf dem Prinzip der Supraleitfähigkeit basiert, ist in dem an Tyson vergebenen US-Patent No. 3,657,927 offenbart. Bei diesem Typ von Kreiselgerät tritt ein Strom in einen supraleitfähigen Ring ein, wo er in zwei Zweige aufgeteilt wird. In einem Zweig fließt der Strom im Uhrzeigersinn, und im anderen Zweig fließt der Strom entgegen dem Uhrzeigersinn. Beide dieser entgegengesetzt laufenden Ströme durchlaufen einen Josephson-Übergang innerhalb seines jeweiligen Zweiges. Wenn der supraleitende Ring in Rotation versetzt wird, wird ein zirkulierender Strom erzeugt. Dieser zirkulierende Strom verursacht eine positive Phasenverschiebung, die in der Wellenfkktion in einem Zweig auftritt, sowie eine negativen Phasenverschiebung, die in der Wellenfünktion im anderen Zweig auftritt. Aufgrund von Rekombination wird eine Interferenz zwischen den beiden Wellenfunktionen hervorgerufen. Diese Interferenz manifestiert sich als Wechselstrom am Ausgang der Vorrichtung. Die Phasenänderung des Ausgangsstromes ist proportional zur Rotationsfrequenz des Rings. Diese Vorrichtung ist ebenfalls empfindlich gegenüber Veränderungen im magnetischen Fluß, der die Vorrichtung umgibt. Diese Veränderungen im magnetischen Fluß aufgrund von externen Magnetfeldern werden fälschlicherweise als eine Rotation des supraleitenden Ringes detektiert. Der Effekt dieser externen Magneffelder wird durch Verwendung einer supraleitenden Abschirmung auf ein Minimum zurückgeführt.
Während die oben beschriebene Vorrichtung ein Kreiselgeräte schafft, das in funktionaler Hinsicht nicht-mechanisch ist, existiert ein Problem hinsichtlich der supraleitenden Abschirmung, die in diese Vorrichtung integriert ist. Das Hauptproblem bei der supraleitenden Abschirmung ist die Bildung eines internen Magneffeldes, das sich entwickelt, wenn die supraleitende Abschirmung in Rotation versetzt wird. Dieses Magnetfeld ist als das London-Momenten-Feld bekannt. Die Größe dieses Magnetfeldes hat die gleiche lineare Beziehung mit der Rotation wie die obengenannte Vorrichtung. Sobald die Vorrichtung in Rotation versetzt wird, geschieht dies auch mit der supraleitenden Abschirmung. So weist das London-Momenten-Feld, das von der supraleitenden Abschirmung erzeugt wird, den gleichen Wert auf, wie das von der Vorrichtung erzeugte Feld. Da die Abschirmung einen Feldwert erzeugt, der den Energiezustand der Vorrichtung auf ein Minimum zurückführt, reagiert die Vorrichtung nicht auf die Rotation. Daher entsteht kein Ausgangssignal an dem supraleitenden Kreiselgerät, wenn es von einer supraleitenden Abschirmung umgeben ist.
Entsprechend wäre es wünschenswert, daß durch die oben beschriebene supraleitende Abschirmung auftauchende Problem zu überwinden, während ein Kreiselgerät geschaffen wird, das auf dem Prinzip der Supraleittähigkeit beruht, das jedoch in funktionaler Hinsicht nicht-mechanisch und von externen Magnetfeldern abgeschirmt ist.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Die vorliegende Eifmdung löst das obenerwähnte Problem mit dem London-Momenten-Feld durch ein Eliminieren eines geschlossenen Elektronenweges, der bei der oben beschriebenen supraleitenden Abschirmung nach dem Stand der Technik vorhanden ist. Ein London-Momenten-Feld wird durch einen Schlepp-Effekt hervorgerufen, der durch Elektronen auftritt, die innerhalb der Eindringtiefe des Materials in der supraleitenden Abschirmung laufen. Das London-Momenten-Feld beruht auf dem Winkelmoment dieser Schlepp-Elektronen um die Oberfläche der Abschirmung. Wie jedoch durch die vorliegende Erfindung offenbart wird, kann eine Diskontinuität in einer supraleitenden Abschirmung gebildet werden, um so dem Stromfluß dieser Schlepp-Elektronen zu unterbrechen, so daß sich ein London-Momenten-Feld nicht bilden kann. Eine supraleitende Abschirmung mit einer solchen Diskontinuität dämpft nach wie vor externe magnetische Felder durch die Erzeugung von lokalen Wirbelströmen, die die externen Magnetfelder auslöschen. Dieser lokalen Wirbelströme tragen jedoch nicht zur Bildung eines London-Momenten-Feldes bei.
Die kinetische Induktivität wird durch die Verwendung von Hindernissen für den Suprastrom im Abschirmungsmaterial erhöht, was einen Bernoulli- Effekt hervorruft, der die Veränderung im Suprastrom aufgrund der Rotation des Kreiselgerätes erhöht. Dieses pHänomen ist in einer wissenschaftlichen Veröffentlichung von W. A. Little mit dem Titel ,,Device Application of Super-Inductors", veröffentlicht in "The Proceedings of the Symposium of die Physics of Superconducting Devices", veröffentlicht, welches Symposium vom Office of Naval Research, Physikabteilung, finanziell unterstützt und an der Universität von Virginia am 28. und 29. April 1967 abgehalten wurde.
Die vorliegende Erfindung ist in den beigefligten Ansprüchen 1 bis 21 definiert.
Aus der obenstehenden beschreibenden Zusammenfassung ist es offensichtlich, wie die vorliegende Erfindung das bei den obengenannten Vorrichtungen nach dem Stand der Technik auftretende Problem überwindet, während ein Kreiselgerät beruhend auf dem Prinzip der Supraleitfähigkeit geschaffen wird, das in fünktionaler Hinsicht nicht-mechanisch und das von externen Magnetfeldern abgeschirmt ist.
Entsprechend ist es die hauptsächliche Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine supraleitende Kreiselgerät-Vorrichtung von externen Magneffel dem abzusclrirmen und die Anwesenheit eines London-Momenten-Feldes zu eliminieren, wenn die Abschirmung in Rotation versetzt wird.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung liegt darin, die magnetische Permeabilität in einem supraleitenden Kreiselgerät und in seinen Win dungen auf ein Minimum zurückzufiihren, ohne ein London-Momenten- Feld aufgrund der Rotation der supraleitenden Abschirmung zu bilden.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht in der Anwendung der Dünnfilm-Technologie und von Hochtemperatur-Supraleitern bei der Herstellung von supraleitenden Kreiselgeräten.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung liegt in der Maximierung der kinetischen Induktionseffekte in einem supraleitenden Kreiselgerät.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung liegt in der Erhöhung der Oberflächengröße eines supraleitenden Kreiselgerätes, ohne die magnetische Induktivität oder die Packungsgröße der Vorrichtung zu erhöhen.
Weitere Aufgabe und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden dem Faclunann auf diesem technischen Gebiet nach dem Lesen der folgenden detaillierten Beschreibung und Ansprüche in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen klar, die hier beiliegen.

KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHUNGEN

Um ein vollständigeres Verständnis der vorliegenden Erfindung zu erleichtem, wird nun Bezug genommen auf die beigefügten Zeichnungen.
Diese Zeichnungen sollten nicht so verstanden werden, daß sie die vorliegende Erfindung beschränken, sie sollen vielmehr nur exemplarischer Natur sein.
Figur 1 ist eine dreidimensionale Ansicht einer supraleitenden zylindrischen Abschirmung, die entsprechend der vorliegenden Erfindung in der Axialrichtung geteilt ist.
Figur 2 ist ein Querschnitt einer verschachtelten supraleitfähigen Absclurmkonfiguration entsprechend der vorliegenden Erfindung.
Figur 3 ist eine Draufsicht auf eine massive Scheibe, die zur Abschirmung des Inneren einer supraleitenden zylindrischen Abschirmung von externen magnetischen Feldern am oberen und unteren Ende der supraleitfahigen zylindrischen Abschirmung entsprechend der vorliegenden Erfindung verwendet wird.
Figur 4 ist eine Draufsicht auf eine mit einer Nut versehenen Scheibe, die zur Unterbrechung der Bildung eines London-Momenten-Feldes im Deckel und Boden einer supraleitenden zylindrischen Abschirmung entsprechend der vorliegenden Erfindung verwendet wird.
Figur 5 ist ein Querschnitt einer Ausführungsform eines supraleitenden Kreiselgerätes entsprechend der vorliegenden Erfindung.
Figur 6 ist eine dreidimensionale Ansicht des in Figur 4 gezeigten Kreiselgerät-Montagekubus.
Figur 7 ist eine vergrößerte Querschnittsansicht einer supraleitenden Dünnfilm-Struktur, die für die Anwendung in dem in Figur 4 gezeigten Kreiselgerät geeignet ist.
Figur 8 ist eine schematische D&stellung eines supraleitenden Kreiselge rätes entsprechende der vorliegenden Erfindung.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG

Unter Bezugnahme auf Figur 1 ist eine supraleitende zylindrische Abschirmung 10 gezeigt, die in der axialen Richtung geteilt ist. Diese Teilung kann eine Trennung entlang der gesamten Achse der zylindrischen Abschirmung oder eine Ritze sein, die axial in einen supraleitenden Dünnfilm geätzt wurde, der auf einem nicht-supraleitenden mu-Metallzylinder abgeschieden worden ist. Die Trennung oder Ritze ist typischerweise etwa 20 um breit und wird entsprechend der vorliegenden Erfindung dazu verwendet, den Weg von Elektronen, die in der axialen Richtung entlang der Oberfläche des supraleitenden Materials laufen, zu unterbrechen. Solch eine Elektronenpfad-Unterbrechung führt zu dem Aufbrechen eines begleitenden London-Momenten-Feldes, da - wie oben beschrieben - ein London- Momenten-Feld durch einen Schlepp-Effekt hervorgerufen wird, der durch die entlang der Oberfläche der supraleitenden Abschirmung laufenden Elektronen hervorgerufen wird. Mit anderen Worten wird ein London- Momenten-Feld durch einen rein winkelmäßigen Momenteneffekt hervorgerufen. So wird die Kohärenz der Elektronenwellenfunktion in der axialen Richtung aufgebrochen, wenn der Pfad der Elektronen unterbrochen wird, und das Winkelmoment der Elektronen wird unterbrochen, wodurch ver anlaßt wird, daß ein begleitendes London-Momenten-Feld aufbricht. Ein typisches London-Momenten-Feld kann durch die folgende Gleichung repräsentiert werden,
wobei b der Wert des London-Momenten-Feldes, m die Masse eines Elektrons, c die Lichtgeschwindigkeit, e die Ladung eines Elektrons und ω die Rotationsgeschwindigkeit des supraleitenden Materials darstellen.
Unter Bezugnahme auf Figur 2 ist eine verschachteltete Konfiguration 12 gezeigt, die eine ungeteilte, zylindrische äußere Abschirmung 14 aus mu- Metall und drei geteilte supraleitende zylindrische Abschirmungen 16, 18, 20 aulweist, die konzentrisch innerhalb dieser äußeren Abschirmung 14 angeordnet sind. Die drei inneren Abschirmungen 16, 18, 20 können voll ständig aus supraleitendem Material hergestellt sein oder sie können aus Dünnfilmlagen aus supraleitendem Material hergestellt sein, das entweder auf der inneren oder der äußeren Oberfläche der konzentrisch angeordneten mu-Metall-Zylinder mit darin gebildeten Ritzen abgeschieden wurde. Im erstgenannten Fall muß eine Pufferlage aus nicht-supraleitendem Material jede Abschirmung 14, 16, 18, 20 voneinander trennen. Im zweiten Fall muß jede Dünnfilmlage 16, 18, 20 zumindest 0,5 um dick sein. Die äußere Abschirmung 14 dämpft jegliche externen Magneffelder, und die inneren Abschirmungen 16, 18, 20 dämpfen jegliche verbleibenden Magnetfelder. Um den Flußdurchgang dazwischen auf ein Minimum zurückzufhhren, sind die inneren Abschirmungen 16, 18, 20 so positioniert, daß ibre Unterteilungen um etwa 45º gegeneinander verdreht angeordnet sind.
Unter Bezugnaume auf die Fig. 3 und 4 ist eine massive mu-Metallscheibe 22 und eine supraleitende Scheibe 24 gezeigt, die eine 20-um-Unterteilung 26 aufweist, die jeweils radial darin eingeformt ist. Eine Kombination dieser Scheiben 22, 24 wird verwendet, um die Enden der verschachtelten Konfiguration 12, wie sie in Fig. 2 gezeigt ist, abzuschirmen. Ähnlich zu den zylindrischen Abschirmungen 14, 16, 18, 20, wie sie in Fig. 2 gezeigt sind, kann die supraleitende Scheibe 24 insgesamt aus einem supraleitenden Material oder aus einer Dünnfilmlage von supraleitendem Material hergestellt sein, das auf der Oberfläche einer mu-Metallscheibe mit einer darin eingeformten Ritze abgeschieden wurde. Jede dieser Dünnifllmlagen muß zumindest 0,5 um dick sein. Die Kombination dieser Scheiben 22, 24, wie sie zur Abschirmung der Enden der verschachtelten Konfiguration 12 verwendet wird, ist derart, daß die massive Scheibe 22 als äußere Abschirmung und mehrere unterteilte Scheiben 26 als innere Abschirmungen in einer Mehrfachlagen-Anordnung verwendet werden. Die äußere Abschir mung 22 dämpft jedes externes Magnetfeld und die inneren Abschirmungen 24 dämpfen jegliche verbleibenden Magneffelder. Ebenfalls ännlich zu den in Fig. 2 gezeigten zylindrischen Abschirmungen 16, 18, 20 sind die inneren Abschirmungen 24 so angeordnet, daß ihre Unterteilungen etwa 45º zueinander verdreht angeordnet sind, um den Flußdurchgang dazwischen auf ein Minimum zurückzuführen.
Unter Bezugnahme auf Figur 5 ist eine Querschnittsansicht einer Ausführungsforin einer supraleitenden Kreiselgerät-Vorrichtung 28 gemäß der vorliegenden Erfindung gezeigt. Diese Vorrichtung 28 besteht aus einem mu-Metallkasten 30 mit einem Deckel 32, einem Boden 34 und Seiten 36. Innerhalb des mu-Metallkastens 30 sind gedruckte Leiterpiatten 38 zur Unterbringung von Steuer- und Detektionsschaltkreisen montiert. Ebenfalls innerhalb des mu-Metallkastens 30 ist eine verschachtelte Zylinderkonfiguration 40 montiert, die verschachtelte mu-Metall- und Dünnfilm-Supraleitungsabschirmungen aufweist, wie dies in Fig. 2 gezeigt ist. Die verschachtelte Zylinderkonfiguration 40 ist an ihren beiden Enden durch eine Mehrfachlagen-Scheibenanordnung 42 verschlossen, die mu-Metall- und Dünnfilm-Supraleitungsabschirmungen aufweist, wie dies in den Fig. 3 und 4 gezeigt ist. Innerhalb der verschachtelten Zylinderkonfiguration 40 ist ein Kreiselgerät-Sensorblock 44 montiert. Es ist anzumerken, daß das Innere des mu-Metallkastens 30 auf einer Temperatur gehalten werden muß, die nicht höher als die kritische Temperatur des verwendeten supraleitenden Materials ist. Z. B. muß das übliche supraleitende Material aus Yttrium/Barium/Kupfer/Oxid (YBCO) unter seiner kritischen Temperatur von 90º K gehalten werden.
Unter Bezugnahme auf Figur 6 ist der Kreiselgerät-Sensorblock 44 in drei Dimensionen gezeigt. Der Kreiselgerät-Sensorblock 44 nimmt drei Kreiselgeräte 46 auf, wobei eines für jede Achse bestimmt ist. Jedes Kreiselgerät 46 besteht aus einer mehrlagigen, hochtemperatur-supraleitenden Dünnfilmstruktur, die zwei magnetische Abschirmlagen 48, eine rechtshändige Spirale 50, eine linkshändige Spirale 52 und ein Zweifach-Übergang- SQUID 54 aufiveist. Jede dieser Lagen ist durch eine Isolierlage 56 abgetrennt, wie dies in Fig. 7 gezeigt ist.
Unter Bezugnahme auf Figur 8 ist eine schematische Darstellung eines der drei Kreiselgeräte 46 zusammen mit seiner zugeordneten Steuer- und Detektionsschaltung gezeigt. Wie in Figur 8 gezeigt ist, besteht das Kreiselgerät 46 und die Steuer- und Detektionsschaltungsanordnung aus einer rechtshändigen Spirale 50, einer linkshändigen Spirale 52, einem Zweifach- Übergangs-SQUID 54, einer Stromquelle 58 und einem Phasendetektor 60.
Eine einfache Zweifach-Übergangs-SQUID-Vorrichtung ohne Spiral- Eingangsleitungszweige wird durch die folgende Gleichung bestimmt,
wobei Ic der Wert des kritischen Stromes, 5 die vom Zweifach-Übergangs- SQUID umschlossene Fläche, h gleich der Planck'schen Konstante, Φ der Wert des externen magnetischen Flusses und Φ&sub0; der Wert eines Fluxoids ist, der durch die folgende Gleichung repräsentiert wird:
Gleichung (2) kann umgeschrieben werden als wobei Φω die Phase aufgrund der Rotation und die Φω die Phase aufgrund des magnetischen Flusses ist. Die Veränderung in der Phase aufgrund der Rotation wird durch die folgende Gleichung repräsentiert:
Eine Untersuchung des ersten Integrals in der Gleichung (5) bringt zu Tage, daß eine Integration um einen Spiralweg herum zu einer Erhöhung bei der Empfindlichkeit des Kreiselgerätes fhhrt, wenn die effektive umschlossene Fläche S des SQUID's erhöht wird. Diese erhöhte Empfindlichkeit aufgrund der erhöhten effektiven Fläche des SQUID's kann durch β repräsentiert werden.
Es ist bestens bekannt, daß die Phase des Ausgangsstromes in einem Kreiselgerät, der in Fig. 8 durch I&sub0; repräsentiert ist, sich aufgrund einer Veränderung in der Rotation oder der Winkelgeschwindigkeit ändert. In der Gleichung (5) kann der Ausdruck ωS als Zirkulation betrachtet werden, während der Ausdruck h/8πm als Quantenzirkulation betrachtet werden kann. Die effektive Zirkulation aufgrund der Rotation oder Winkelgeschwindigkeit kann durch eine Erhöhung der kinetischen Induktivität der supraleitenden Spiralen erhöht werden. Analog kann die kinetische Induktivität eines Ringes durch die folgende Gleichung repräsentiert werden,
wobei r der Radius des Ringes, die Elektronendichte und a der Querschnittsradius des Ringes sind.
Aus Gleichung (6) kann erkannt werden, daß sich die kinetische Induktivität mit dem Ketirwert des Quadrates des Querschnittsradius des Ringes erhöht. Somit ist die kinetische Induktivität um so größer, je kleiner die Querschnittsfläche des Ringes ist. Da die Spiralen 50, 52 und das SQUID 54 in jedem Kreiselgerät 46 durch Dünnfilmlagen aus supraleitendem Material mit extrem kleinen Musterdimensionen typischerweise mit 0,5 um Höhe und 20 um Breite hergestellt werden, kann die kinetische Induktivität um viele Größenordnungen erhöht werden.
Die kinetische Induktivität kann weiterhin durch eine Behinderung des Elektronenflusses in den supraleitenden Dünnfilmlagen erhöht werden. Dies wird erreicht, indem das supraleitende Material mit Verunreinigungen dotiert wird. Ein solches Dotieren ruft ein Fluß-Pinning in den supraleitenden Dünnfilmlagen hervor, wodurch individuelle magnetische Flußlinien in der Lage sind, die supraleitenden Dünnfilmlagen zu durchdringen, während Elektronen um diese Flußlinien herumlaufen müssen, da Elektronen durch diese Flußlinien nicht hindurch laufen können. Dieser Effekt erhöht die Geschwindigkeit der Elektronen, da die Stromdichte aufrechterhalten werden muß. Dieser Effekt erhöht auch die Empfindlichkeit des Gerätes gegenüber einer Rotation. Die Effekte der Erhöhung in der kinetischen Induktivität sollen durch α repräsentiert werden.
Es ist anzumerken, daß die kinetische Induktivität auch erhöht werden kann, indem Löcher in die supraleitenden Dünnfilmlagen Laser-gebohrt werden, so daß die effektive Breite der Dünnfilmlagen erniedrigt wird und die Elektronen um die Lücken im Material herum fließen müssen.
Ein in die Spiralen 50, 52 oder das Zweifach-Übergangs-SQUID 54 eintretender magnetischer Fluß wird als Rotation wahrgenommen. Um diesen Effekt auf ein Minimum zurückzuführen, muß die magnetische Induktivität in den Spiralen 50, 52 und in dem Zweifach-Übergangs-SQUID 54 auf ein Minimum zurückgefhrt werden. Analog dazu kann die magnetische Induktivität eines Ringes durch die folgende Gleichung repräsentiert werden,
wobei u die magnetische Permeabilität des Ringes ist.
Aus Gleichung (7) kann ersehen werden, daß die magnetische Induktivität sich mit dem Kelirwert des natürlichen Logarithmus des Querschnittsradius des Ringes erhöht. Sie erhöht sich jedoch nicht so schnell, wie die kinetische Induktivität als Funktion des Querschnittsradius. Die magnetische Induktivität kann auf Null gebracht werden, indem die magnetische Permeabilität auf ein Minimum zurückgeführt wird. Die magnetische Permeabilität geht auf Null, wenn das Material innerhalb des Ringes perfekt diamagnetisch wird. Auf diese Weise geht die magnetische Induktivität durch Verwendung eines Supraleiters als perfekten Diamagneten auf Null.
Ein totales Einschließen der Spiralen 50, 52 und des SQUID's 54 in einer supraleitenden Abschirmung würde die magnetische Induktivität auf ein Minimum zurückführen, falls die supraleitende Abschirmung kein London- Momenten-Feld hervorrufen würde, wie es in Gleichung (1) repräsentiert wird. Wie vorstehend beschrieben, beeinflußt ein solches London- Momenten-Feld die Elektronen in den Spiralen 50, 52 und im SQUID 54 und macht eine Rotationsmessung unmöglich. So müssen die Dünnfilmlagen 48 aus supraleitendem Material in der gleichen Weise verwendet werden, wie dies in dem Falle der mehrlagigen Scheibenanordnung 52 beschrieben wurde. Diese Dünnfilmlagen 48 müssen geritzt und mit ihren Ritzen so gestapelt werden, daß sie zueinander verdreht sind, um so einen Flußdurchgang da:rwischen auf ein Minimum zurückzuführen. Entsprechend wirken diese Dünnfilmiagen 48 als Abschirmungen zur Minimierung der magnetischen Induktivität in den Spiralen 50, 52 und in dem SQUID 54. Die Effekte der Herabsetzung der magnetischen Induktivität sollen durch λ repräsentiert werden.
Unter Bezugnahme auf Figur 7 ist die mehrlagige hochtemperatur-supraleitende Dünnfilmstruktur 46 gezeigt. Diese mehrlagige hochtemperatursupraleitende Dünnfilmstruktur 46 ist auf einem Substrat 44 gebildet, das auch den Kreiselgerät-Sensorblock darstellt, der zur Aufnahme eines hochtemperatur-supraleitenden Materials geeignet ist. Für die Zwecke dieser Beschreibung sollen das supraleitende Material Yttrium/Barium/Kupfer/Oxid (YBCO) und das Substrat 44 oder der Kreiselgerät-Sensorblock entweder Strontium/Titanat oder Lanthan/Aluminat sein. Natürlich können andere supraleitende oder Substratmaterialien die vorstehend erwähnten ersetzen. Die erste Lage bei der Kreiselgerät-Stniktur 46 ist eine Isolationsiage 56. Auf der Isolationsiage 56 ist eine geritzte Dünnfilm-Abschirmungslage 48 aus supraleitendem Material vorhanden, die als Diamagnet in der Gleichung (7) wirkt. Dieser Abschirmungslage 48 folgt eine weitere Isolationslage 56 und dann eine als rechtshändiges Spiralmuster ausgelegte Lage 50 aus supraleitendem Material. Der rechtshändigen Spirallage 50 folgt eine weitere Isolationslage 56 und anschließend eine als Zweifach- Übergangs-SQUID-Muster ausgelegte Lage 54 aus supraleitendem Material. Der Zweifach-Übergangs-SQUID-Lage 54 folgt eine weitere Isolationslage 56 und anschließend eine als linkshändige Spiralmuster ausgelegte Lage 52 aus supraleitendem Material. Kleine Durchbrüche in den Isolationsiagen 56 schaffen Wege, um die rechtshändige 50 und linkshändige Spirale 52 mit dem Zweifach-Übergangs-SQUID 54 zu verbinden. Die linkshändige Spirallage 52 wird durch eine weitere Isolationsiage 56 und anschließend durch eine weitere geritzte Dünnfihn-Abschirinungslage 58 aus supraleitendem Material abgedeckt, die ebenfalls als Diamagnet in der Gleichung (7) wirkt.
Die Gleichung (2) kann nun durch Einsetzen des erhöhten Wirkfiächenparameters β, des kinetischen lnduktivitätsparameters α und des magnetischen Induktivitätsparameters λ umgeschrieben werden, um so die folgende Gleichung zu erhalten:
Da die magnetische Permeabilität gegen Null geht, geht die magnetische Induktivität λ ebenfalls gegen Null, so daß aus der Gleichung (7) wird:
Die Phasenänderung aufgrund Rotation kann nun durch die folgende Gleichung ausgedrückt werden:
Durch eine Erhöhung der Wirkfläche des SQUID um etwa 100 beträgt der Parameter β = 100. Durch Erhöhung der Querschnittsfläche des supraleitenden Dünnfilm-Lagemnusters um etwa 10 beträgt der Parameter α = 100. In dem die von dem Zweifach-Übergangs-SQUID umschlossene Fläche bei etwa 0,1 cm² belassen wird, beträgt die Variable S = 0,001. Durch Einsetzen dieser Werte in Gleichung (10) kann die Phasenveränderung aufgrund Rotation nun durch die folgende Gleichung ausgedrückt werden:
Wenn z. B. der Phasendetektor 60 eine Phasenverschiebung von 0,01 Radian detektiert, kann die erfaßbare Veränderung in der Winkelgeschwindigkeit durch die folgende Gleichung repräsentiert werden:
Gleichung (12) repräsentiert eine typische Änderung in der Rotationsgeschwindigkeit der oben beschriebenen Kreiselgeräte-Vorrichtung 28. Daher zielt diese Vorrichtung 28 in erster Linie auf Anwendungen mit mittleren Genauigkeitsanforderungen (Fehlerraten von 1 bis 10 º pro Stunde), kann jedoch auch für andere Genauigkeitsbereiche angewendet werden. Mit der Verwendung der Dünnfilm-Technologie zielt diese Vorrichtung 28 ebenfalls auf Anwendungen ab, wo Kosten bei Massenproduktion eine überge ordnete Rolle spielen.
Entsprechend wird nach der obigen ausführlichen Beschreibung der Kreiselgerät-Vorrichtung 28 gemäß der vorliegenden Erfindung offensichtlich, daß die oben angegebenen Zielsetzungen effizient erreicht wurden, und daß, da bestimmte Änderungen bei der oben beschriebenen Vorrichtung 28 vorgenommen werden können, ohne aus dem Schutzumfang der Erfindung, der durch die beigefügten Ansprüche 1 bis 21 defmiert ist, zu gelangen, es beabsichtigt ist, daß der gesamte Inhalt in der obigen Beschreibung oder in den beigefügten Zeichnungen nur illustrativ und nicht in einem beschränkenden Sinne interpretiert werden soll, wobei die Beschränkungen der Erfmdung durch die Ansprüche 1 bis 21 definiert sind.

Claims

1. Supraleitende Kreiselgerät-Vorrichtung mit zweifachen Übergang mit einer supraleitenden Abschirmung zum Abschinnen externer magnetischer Felder und zum Verhindern der Erzeugung eines London-Momenten- Feldes, wenn die supraleitende Abschirmung in Rotation versetzt wird, wobei die Vorrichtung umfaßt:

ein geschlossenes Gehäuse mit einer äußeren Lage aus mu-Metall und einer Vielzahl von verschachtelten Lagen aus supraleitendem Material, wobei die Vielzahl von verschachtelten Lagen aus supraleitendem Material so geteilt sind, daß Diskontinuitäten im supraleitenden Material der Vielzahl von verschachtelten Lagen eingeführt werden und wodurch Supraelektronen unterbrochen werden, die innerhalb des supraleitenden Materials der Vielzahl von verschachtelten Lagen laufen; und

einen Kreiselgerät-Sensor, der fest innerhalb des Gehäuses zum Erfassen einer Rotation des Gehäuses montiert ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Außenlage aus mu-Metall- Material eine hohlzylindrische, äußere Abschirmung aus mu-Metall- Material umfaßt, wobei die Vielzahl von verschachtelten Lagen aus supraleitendem Material eine Vielzahl von hohlzylindrischen inneren Abschirmungen aus supraleitendem Material umfaßt, wobei die Vielzahl von hohlzylindrischen inneren Abschirmungen aus supraleitendem Material konzentrisch innerhalb der hohizylindrischen äußeren Abschirmung aus mu- Metall und innerhalb sich selbst angeordnet ist, und wobei die Vielzahl von hohlzylindrischen inneren Abschirmungen aus supraleitendem Material so geteilt sind, daß Diskonfinuitäten im supraleitenden Material der Vielzahl von hohizylindrischen inneren Abschirmungen eingefrht werden und dadurch Supraelektronen unterbrochen werden, die innerhalb des supraleitenden Materials der Vielzahl von hohizylindrischen inneren Abschirmungen laufen.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, wobei die hohlzylindrische äußere Abschirmung aus mu-Metall eine zylindrische Seitenwand aus mu-Metall- Material und erste und zweite Endscheiben aus mu-Metall-Material aufweisen, wobei die zylindrische Seitenwand aus mu-Metall-Material gegenüberliegende erste und zweite offene Enden aufweist, wobei die gegenüberliegenden ersten und zweiten offenen Enden der zylindrischen Seitenwand aus mu-Metall-Material durch die ersten und zweiten Endscheiben aus mu-Metall-Material jeweils abgedeckt sind, wobei die Vielzahl von hohizylindrischen inneren Abschirmungen aus supraleitendem Material eine Vielzahl von zylindrischen Seitenwänden aus supraleitendem Material und eine entsprechende Vielzahl von ersten und zweiten Endscheiben aus supraleitendem Material umfassen, wobei jede der zylindrischen Seitenwände aus supraleitendem Material gegenüberliegende erste und zweite offene Enden aufweist, wobei die gegenüberliegenden ersten und zweiten offenen Enden von jeder der zylinderischen Seitenwände aus supraleitendem Material jeweils durch entsprechende erste und zweite Endscheiben aus supraleitendem Material abgedeckt werden, wobei die Vielzahl von zylindrischen Seitenwänden aus supraleitendem Material so geteilt sind, daß Diskontiuitäten in dem supraleitenden Material der Vielzahl von zylindrischen Seitenwänden eingeführt werden und wodurch Supraelektronen unterbrochen werden, die innerhalb des supraleitenden Materials der Vielzahl von zylindrischen Seitenwänden laufen, und wobei die Vielzahl von ersten und zweiten Endscheiben aus supraleitendem Material so geteilt ist, daß Diskontinuitäten in dem supraleitendem Material der Vielzahl von ersten und zweiten Endscheiben eingeführt werden und wodurch Supraelektronen unterbrochen werden, die innerhalb des supraleitenden Materials der Vielzahl von ersten und zweiten Endscheiben laufen.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, wobei die ersten und zweiten Endscheiben aus mu-Metall-Material und die Vielzahl von ersten und zweiten Endscheiben uns supraleitendem Material jeweils in einer ersten mehrlagigen Endscheibe und einer zweiten mehrlagigen Endscheibe zusammengesetzt sind, wobei die erste mehrlagige Endscheibe so strukturiert ist, daß sie eine äußere Lage aus mu-Metall-Material und eine Vielzahl von inneren Lagen aus supraleitendem Material aufweist, wobei die zweite mehrlagige Endscheibe so strukturiert ist, daß sie eine Außenlage aus mu-Metall-Material und einer Vielzahl aus inneren Lagen von supraleitendem Material aufweist, und wobei die Vielzahl von inneren Lagen aus supraleitendem Material sowohl in der ersten mehrlagigen Endscheibe als auch der zweiten mehrlagigen Endscheibe so geteilt ist, daß Diskontinuitäten in dem supraleitenden Material der Vielzahl von inneren Lagen sowohl der ersten mehrlagigen Endscheibe als auch der zweiten mehrlagigen Endscheibe eingeführt werden.

5. Vorrichtung nach Anspruch 3, wobei die Diskontinuitäten in der Vielzahl von zylindrischen Seitenwänden aus supraleitendem Material etwa 45º versetzt zueinander angeordnet sind, um den Flußdurchgang dazwischen auf ein Minimum zurückzuführen.

6. Vorrichtung nach Anspruchs, wobei die Vielzahl von zylindrischen Seitenwänden aus supraleitendem Material gänzlich aus supraleitendem Material hergestellt ist, und wobei Pufferlagen aus nicht-supraleitendem Material zwischen der Vielzahl von zylindrischen Seitenwänden aus supraleitendem Material und der zylindrischen Seitenwand aus mu-Metall- Material angeordnet sind.

7. Vorrichtung nach Anspruch 5, wobei die Vielzahl von zylindrischen Seitenwänden aus supraleitendem Material aus Dünnfilm-Lagen aus supraleitendem Material hergestellt ist, die auf einer entsprechenden Vielzahl von konzentrisch angeordneten mu-Metall-Zylindem mit darin eingeformten Ritzen abgeschieden sind.

8. Vorrichtung nach Anspruch 4, wobei die Diskontinuitäten in der Vielzahl von inneren Lagen aus supraleitendem Material sowohl in der ersten mehrlagigen Endscheibe als auch der zweiten mehrlagigen Endscheibe etwa 45 zueinander versetzt angeordnet sind, um so den Flußdurchgang dazwischen auf ein Minimum zurückzuführen.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, wobei die Vielzahl von inneren Lagen aus supraleitendem Material sowohl in der ersten mehrlagigen Endscheibe als auch der zweiten mehrlagigen Endscheibe aus Dünnfilm-Lagen eines supraleitenden Materials hergestellt sind, das auf den Oberflächen von aufeinander geschichteten mu-Metall-Scheiben mit darin eingeformten Ritzen abgeschieden ist.

10. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Kreiselgerät-Sensor umfaßt:

einen Kreiselgerät-Sensorblock mit einer Vielzahl von Sensorvorrichtungs- Seiten; und

eine Vielzahl von Kreiselgerät-Sensorvorrichtungen entsprechend der Vielzahl von Sensorvorrichtungs-Seiten, wobei jede der Vielzahl von Kreisel gerät-Sensorvorrichtungen auf einer entsprechenden Seite der Vielzahl von Sensorvorrichtungs-Seiten angeordnet ist.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, wobei jede der Vielzahl von Kreiselgerät-Sensorvorrichtungen aus einer mehrlagigen supraleitenden Dünnfihn- Strukturbesteht.

12. Vorrichtung nach Anspruch 11, wobei die mehrlagige supraleitende Dünnfilm-Struktur zusammengesetzt ist aus:

einer rechtshändig spiralförmigen Dünnfilmlage aus supraleitendem Material;

einer linkshändig spiralförmigen Dünnfilmlage aus supraleitendem Material;

einer Dünnfilmlage in Form eines Zweifach-Übergangs-SQUID aus supraleitendem Material;

einem Paar von geteilten Dünnfilm-Abschirmungslagen aus supraleitendem Material zum Abschirmen der rechtshändig spiralförmigen Lage, der linkshändig spiralförmigen Lage und der als Zweifach-Ubergangs-SQUID geformten Lage von magnetischen Feldern; und

einer Vielzahl von Isolationslagen, die zwischen der rechtshändig spiralförmigen Lage, der linkshändig spiralförmigen Lage, der als Zweifach- Übergangs-SQUID geformten Lage und dem Paar von geteilten Dünnfilm- Abschirmungslagen angeordnet sind.

13. Vorrichtung nach Anspruch 12, wobei das supraleitende Material mit Verunreinigungen dotiert ist, um so die kinetische Induktivität zu erhöhen.

14. Vorrichtung nach Anspruch 12, wobei die rechtshändig spiralförmige Lage und die linkshändig spiralförmige Lage mit gebohrten Löchern versehen sind, um so die kinetische Induktivität zu erhöhen.

15. Vorrichtung nach Anspruch 12, wobei das supraleitende Material ein Hochtemperatur-Supraleitungsmaterial ist, um so die kinetische Induktivität zu erhöhen.

16. Vorrichtung nach Anspruch 15, wobei das Hochtemperatur-Supraleitungsmaterial YBCO ist.

17. Vorrichtung nach Anspruch 12, wobei die rechts- und linkshändig spiralförmigen Dünnfilm-Lagen verwendet werden, um so die effektive Abtasffläche der Kreiselgerät-Sensorvorrichtungen zu erhöhen und dadurch die Empfindlichkeit der Kreiselgerät-Sensorvorrichtungen zu erhöhen.

18. Vorrichtung nach Anspruch 12, wobei das Paar von geteilten Dünnfilm Abschirmungslagen dazu verwendet wird, die magnetische Induktivität in der rechtshändig spiralförmigen Lage, der linkshändig spiralförmigen Lage und der als Zweifach-Übergangs-SQUID ausgeformten Lage zu erniedrigen.

19. Vorrichtung nach Anspruch 1, weiterhin umfassend eine Stromquelle zur Versorgung des Kreiselgerät-Sensors mit elektrischem Strom.

20. Vorrichtung nach Anspruch 19, weiterhin umfassend einen Phasendetektor zum Erfassung von Phasenverschiebungen in dem elektrischen Strom, die durch eine Rotation des Gehäuses hervorgerufen werden.

21. Vorrichtung nach Anspruch 1, weiterhin umfassend eine Einrichtung zum Halten des Gehäuses auf einer Temperatur, die nicht höher als die kritische Temperatur des Supraleitungsmaterials ist.