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Die Erfindung betrifft ein SQUID-Magnetometer
und ein Verfahren zur Unterdrückung
von LC-Resonanzen und Mikrowellenresonanzen in SQUID-Strukturen.
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Der SQUID-Detektor oder kurz das
SQUID (Superconducting QUantum Interference Device) wird zur Messung
von schwachen Magnetfeldern verwendet. Das SQUID hat eine Ausgangsimpedanz von
nur ungefähr
1 bis 5 W. Seine Betriebstemperatur ist typischerweise 4,2 K, wobei
es auf diese Temperatur mit geeigneten Einrichtungen herabgekühlt wird.
Die Betriebstemperatur hängt
von dem in dem SQUID verwendeten supraleitenden Material ab; deshalb
ist die Betriebstemperatur so gering, wie es für den Betrieb des Supraleiters
erforderlich ist.
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Das Rauschen an dem Ausgang ist sehr
gering; es ist kaum höher
als das thermische Rauschen in den Widerständen, welche zur Dämpfung der
Josephson-Kontakte
verwendet werden. SQUID-Detektoren werden häufig verwendet, um Signale
niedriger Frequenz im Bereich von 0,1 Hz bis 10 kHz zu messen.
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Das Problem mit Detektoren der oben
beschriebenen Art besteht darin, daß es schwierig ist, das Ausgangssignal
zu verstärken,
ohne das Rauschen zu erhöhen.
Der Grund dafür
ist, daß der
Bereich der Spannungsänderungen
in dem Ausgangssignal relativ gering ist, nämlich 10 μV bis 100 μV von Spitze zu Spitze (peak
to peak). Außerdem
entspricht das Rauschen am Ausgang des SQUIDs in etwa dem thermischen
Rauschen der Widerstände,
die zur Dämpfung
der Josephson-Kontakte verwendet werden. Wenn die Rauschtemperatur
eines einem SQUID nachgeschalteten Verstärkers bei einer Temperatur
von 4,2 K unterhalb von 10 K liegt, erhöht der Verstärker die
Ungenauigkeit der Messung des magnetischen Flusses in keiner signifikanten
Weise.
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Kein bei Raumtemperatur betriebener
herkömmlicher
Gleichstromverstärker
hat ein hinreichend geringes Ausgangsrauschen, wenn er unmittelbar
an einen SQUID angeschlossen wird. Das liegt an der geringen Ausgangsimpedanz
des SQUIDs und daran, daß es
häufig
verwendet wird, um Signale niedriger Frequenzen in dem Bereich von
0,1 Hz bis 10 kHz zu messen. Da FET-Verstärker (Feldeffekttransistor- Verstärker) eine
sehr geringe Rauschtemperatur in einem Frequenzbereich von 1 kHz
bis 100 kHz haben, werden eine Flußmodulation und ein Tieftemperatur-Transformator in
Verbindung mit einem Gleichstrom-SQUID-Detektor verwendet, um die
geringe Impedanz des SQUIDs mit der des FET-Verstärkers abzugleichen.
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Bei dieser Anordnung wird die Unsicherheit der
Messung des magnetischen Flusses hauptsächlich von dem Rauschen des
SQUIDs bestimmt. Außerdem
kann sowohl theoretisch als auch experimentell gezeigt werden, daß sich bei
einem Reduzieren des SQUID-Rauschens auch die Umwandlung von magnetischem
Fluß in
Spannung erhöht,
so daß die
Anforderungen an die Signalverarbeitungselektronik nicht erhöht sind.
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Allerdings treten Probleme auf, wenn
mehrere SQUID-Detektoren miteinander verbunden werden, um Mehrkanaleinrichtungen
zu bilden. Ein Beispiel für
solche Einrichtungen ist das Mehrkanal-Magnetometer. In letzter
Zeit wurde dieses zur Messung der schwachen magnetischen Felder
des Gehirns und des Herzens hergestellt. Gegenwärtig ist das Ziel, Magnetometer
mit 30 bis 100 Kanälen
zu erreichen.
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Wenn ein solches Multikanal-Magnetometer unter
Verwendung von SQUID-Detektoren und der Flußmodulationstechnik realisiert
wird, sind die Kosten für
die Signalverarbeitungselektronik erheblich, weil jedes SQUID und
damit jeder Kanal einen Tieftemperatur-Transformator, einen Vorverstärker, einen
Modulator etc. benötigt.
Die Elektronik eines derartigen Multikanal-Magnetometers ist sehr
komplex und teuer.
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Das Ausgangssignal des SQUIDs kann
auch verstärkt
werden, indem das Signal an den Eingang des SQUIDs über eine
zusätzliche
Spule und einen mit dieser in Reihe geschalteten Widerstand zurückgeführt wird.
Der derart gebildete zusätzliche
Schaltkreis bewirkt eine positive Rückkopplung, wenn das SQUID
mit einem Strom vorgespannt ist („current biased SQUID").
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Eine positive Rückkopplung verstärkt das Ausgangssignal,
kann das System aber auch unstabil machen. Man kann die Instabilität in den
Griff bekommen, indem man den Widerstand beispielsweise durch einen
Feldeffekttransistor ersetzt, durch den der Widerstandswert leicht
eingestellt werden kann.
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Handelt es sich um ein SQUID, der
mit einer Spannung vorgespannt ist, so kann ein zusätzlicher Schaltkreis
verwendet werden, um das Rauschen in der Ausgangsspannung eines
Operationsverstärkers zu
entfernen. Auch in diesem Fall kann die Elektronik vorteilhaft implementiert
werden, indem ein veränderlicher
Widerstand zur Steuerung der Rauschunterdrückung verwendet wird. Die oben
beschriebenen Verfahren sind recht einfach, im allgemeinen aber
nicht ganz ausreichend, um den Rauschpegel eines SQUIDs zu erreichen.
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Gleichstrom-SQUID-Magnetometer werden üblicherweise
aus zwei Josephson-Kontakten
mit einem parallel zu ihnen geschalteten Dämpfungswiderstand hergestellt.
Ist der Josephson-Kontakt nicht über
einen Widerstand gedämpft,
so zeigt seine Kennlinie eine Hysterese. Dementsprechend zeigt ein
aus ungedämpften
Kontakten aufgebauter Gleichstrom-SQUID eine Hysterese und kann
nicht als Magnetometer verwendet werden. Ist die Dämpfung nicht
ausreichend, so wird der Gleichstrom-SQUID zwar arbeiten, aber sein
Rauschen kann hoch bleiben.
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Das thermische Rauschen der Dämpfungswiderstände begrenzt
das Auflösungsvermögen eines
Gleichstrom-SQUIDs; deshalb ist das Ziel, einen möglichst
geringen Dämpfungsgrad
zu verwenden, bei dem das System gerade noch stabil bleibt. In der Praxis
sind die Kontakte häufig
zu stark gedämpft, um
sicherzustellen, daß die
Resonanzen, welche in den Anschlußschaltkreisen des Gleichstrom-SQUIDs auftreten
können,
keine Instabilitäten
hervorrufen und das Rauschen erhöhen.
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Das Dokument IEEE TRANSACTIONS ON MAGNETICS,
Band 27, Nr. 2, März
1991, R. Cantor et al., "Design
and Optimization of DC Squids Fabricated Using Simplified Four-Level
Process", Seiten 2927
bis 2931 betrifft Forschungsergebnisse, in denen der Stand der Technik
im Bereich der SQUID-Magnetometer studiert worden ist. Im einzelnen
beschäftigt
sich diese Forschungsarbeit mit den Problemen von parasitären Schaltkreisen
in einem SQUID-Magnetometer.
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In dem Dokument wird die Rauschdissipation
des SQUIDs nicht in Frage gestellt, sondern verschiedene Verfahren
dafür studiert.
Das Dokument regt keine Rauschdämpfung
an, bei welcher Hochfrequenzoszillationen und Niedrigfrequenzoszillationen in
verschiedenen Stufen behandelt werden, d. h. in dem SQUID selbst
und in der nächsten,
dem SQUID nachgeschalteten Stufe.
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In dem Dokument
EP 619 497 wird eine SQUID-Sensoreinrichtung
offenbart, welche einen Gleichstrom-SQUID sowie eine Elektronik
zur Verstärkung
von unter Verwendung des SQUIDs hervorgerufenen Spannungssignalen
enthält.
Gemäß diesem
Dokument ist es vorgesehen, das SQUID als ein Detektor-SQUID bei
einer fundamentalen elektrischen Spannung ("voltage bias" bzw. spannungsmäßige Vorspannung) zu betreiben.
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Das SQUID ist dabei Teil einer Reihenschaltung,
welche eine Ausgangs-Kopplungsspule hat, über welche ein Gleichstrom-Ausgabe-SQUID
induktiv unter Verwendung der Signale des detektierenden SQUIDs
zu treiben ist, wobei die Signale des Gleichstrom-Ausgabe-SQUIDs
der stromabwärts
angeordneten Elektronik zuzuführen
ist.
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Aufgabe der Erfindung ist es, die
oben beschriebenen Nachteile zu beseitigen oder zumindest signifikant
zu reduzieren.
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Eine spezielle Aufgabe der Erfindung
ist es, ein SQUID-Magnetometer anzugeben, welches auf ungedämpften Josephson-Kontakten
basiert und welches so gedämpft
werden kann, daß das
ganze System ohne eine separate Dämpfung der Kontakte stabil
wird.
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Diese Aufgabe wird mit den im Anspruch
1 definierten Merkmalen gelöst.
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Gemäß der Erfindung können die
Eigenschaften des SQUIDs so eingestellt werden, daß es einen
höheren
Verstärkungsfaktor
aufweist als derzeit verwendete SQUIDs und, was das Wichtigste ist, das
effektive Rauschen des Flusses kann reduziert werden. Ein weiteres
wesentliches Merkmal ist, daß die
Realisierung der Dämpfung,
wie von der Erfindung vorgegeben, es auch ermöglicht, die Effekte der Vorspannungen
und des Vorverstärkers
bei der Planung der Dämpfung
zu berück sichtigen.
Für die
Dynamik des SQUIDs bedeutet das, daß daß Vorverstärker Teil des SQUID-Detektors
ist und umgekehrt.
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Weiterhin stellt ein die Erfindung
realisierendes Verfahren sicher, daß die Anschlußschaltkreise des
SQUIDs keinen Effekt auf seine Dynamik haben. Deshalb muß der Effekt
der Anschlußschaltkreise
bei der Dämpfung
des SQUIDs selber nicht berücksichtigt
werden. Dies wiederum bedeutet, daß eine geringere Dämpfung benötigt wird,
und reduziert das Rauschen des SQUIDs.
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Die Erfindung und entsprechend konstruierte SQUID-Detektoren,
ein un-SQUID (unshunted bzw. nicht geshunteter SQUID) und ein hg-SQUID (high-gain
bzw. Hochverstärkungs-SQUID)
basieren auf der erfinderischen Idee, daß sie aus ungedämpften Josephson-Kontakten
aufgebaut sind. Die Erfindung betrifft also zwei neue Arten von
SQUID (un-SQUID und hg-SQUID).
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Bei einer Ausführungsform der Erfindung wird
der herkömmliche
Dämpfungswiderstand
von einer Reihenschaltung eines Widerstands und eines Kondensators
ersetzt. Die Größe des Widerstandes R
ist von der gleichen Größenordnung
wie in dem Fall, in dem kein Kondensator verwendet wird. Durch die
Gegenwart des Kondensators wird der Kontakt von dem Widerstand R
bei hohen Frequenzen normal gedämpft – die Frequenzen,
bei denen Josephson-Oszillationen auftreten (1 GHZ bis 100 GHz).
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Bei niedrigen Frequenzen sorgt der RC-Kreis
nicht für
eine Widerstandsdämpfung.
Bei niedrigen Frequenzen wird auch keine Dämpfung parallel zu der Spule
zwischen den Kontakten benötigt, wenn
die anderen an das SQUID angeschlossenen Schaltkreise auf andere
Weise gut gedämpft
sind. Wenn kein zusätzlicher
Widerstand parallel zu den Kontakten angeschlossen ist, ändern sich
die Kennlinien des SQUIDs so, daß der dynamische Widerstand
an dem Detektorausgang negativ ist. Folglich ist das SQUID instabil,
wenn es mit einem Strom vorgespannt wird, und kann nicht in der
gewöhnlichen Weise
als ein Magnetometer verwendet werden.
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Wenn dagegen das SQUID mit einer
Spannung vorgespannt wird und sein Ausgangsstrom gelesen wird, bildet
das SQUID eine stabile Einrichtung, und sein Ausgangsstrom ist proportional
zu dem Fluß,
den der SQUID-Ring durchdringt. Wenn ein Strom einem kleinen Widerstand
zugeführt
wird (beispielsweise 0,1 Ohm) und der Ausgang des Widerstandes durch
den Eingang eines herkömmlichen Gleichstrom-SQUIDs an das untersuchte
SQUID angeschlossen wird, dann wird eine Anordnung erreicht, in
der einerseits das untersuchte SQUID mit einer Spannung vorgespannt
wird und andererseits sein Ausgangsstrom unter Verwendung eines
herkömmlichen
SQUIDs detektiert werden kann.
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Da bei dieser Lösung die Kontakte bei niedrigen
Frequenzen nicht gedämpft
sind, sondern die von dem System benötigte Dämpfung in der Vorspannungsschaltung
erzeugt wird, ist der Effekt des thermischen Rauschens auf das effektive
Rauschen des Flusses sehr gering. Das hochfrequente thermische Rauschen
wird jedoch wegen der Nichtlinearität und der Hochfrequenzoszillation
der Josephson-Kontakte mit niedrigen Frequenzen heruntergemischt,
so daß bei
hohen Temperaturen (4,2 K) das Rauschen vermutlich immer noch durch
das thermische Rauschen und nicht durch Quantenrauschen bestimmt
wird.
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Da das SQUID selbst in dieser erfindungsgemäßen Anordnung
keine Dämpfung
bei niedrigen Frequenzen hat, wird die Einrichtung ein nicht-geshuntetes
SQUID (un-SQUID) genannt.
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In einer weiteren Ausführungsform
der Erfindung wird ein zusätzlicher
Widerstand parallel zu den SQUID-Kontakten quergeschaltet. Ist der
Widerstandswert in der Größenordnung
von R/2, so ähnelt das
Ansprechverhalten des SQUIDs einem herkömmlichen Gleichstrom-SQUID,
und der dynamische Widerstand seines Ausgangs ist immer positiv.
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Ist der Widerstandswert in der Größenordnung
von 2 R, so sind die Kennlinien des SQUIDs eher wie diejenigen eines
Transistors, d. h. der Ausgangsstrom ist fast unabhängig von
der Spannung über
der Komponente. Der Strom ist nur proportional zu dem Fluß, der durch
den SQUID-Ring strömt.
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Da der dynamische Widerstand des
Ausgangs für
eine bestimmte Vorspannung nahezu unendlich ist, erhöht das Rauschen
der Spannung des Vorverstärkers
bei Raumtemperatur nicht das effektive Rauschen des Flusses des
SQUIDs. Mit anderen Worten ausgedrückt, das SQUID hat einen hohen Verstärkungsfaktor,
und die nachgeschaltete Verstärkerstufe
erhöht
nicht das Rauschen des Detektors.
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Da die Kennlinien die Form einer
Parabel haben, muß das
SQUID mit einer Spannung vorgespannt werden, um Oszillationen zu
vermeiden. Operationsverstärker
sind im wesentlichen Spannungsverstärker, so daß eine ihnen erhaltene Vorspannung nicht
notwendigerweise zu einer stabilen Lösung führt, wenn sie mit einer Komponente
verbunden sind, die einen negativen dynamischen Widerstand hat.
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Wenn jedoch die Vorspannung von einem Operationsverstärker vorgenommen
wird, indem der Ausgang des Operationsverstärkers über einen Widerstand mit dem
Ausgang des SQUIDs verbunden wird und die Spannung des SQUIDs eingestellt
wird, indem eine Spannung einem Anschluß des Operationsverstärkers zugeführt wird,
kann der Schaltkreis durch die Zuführung von Flußrückkopplung
stabilisiert werden.
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Anders ausgedrückt, das SQUID bildet zusammen
mit einer negativen Rückkopplung
eines Operationsverstärkers
eine unstabile Einrichtung wegen des dynamischen Widerstandes des
Detektors, aber zusammen mit einer negativen Flußrückkopplung ist das ganze System
jedoch stabil. Da der dynamische Widerstand des Detektorausgangs
sehr groß (Absolutwert)
im Vergleich zu dem Operationsverstärker ist, erhöht sein
Rauschen der Spannung nicht das effektive Rauschen des SQUIDs. Nur
das Rauschen des Stroms des Operationsverstärkers hat einen Effekt, aber
dessen Bedeutung ist typischerweise geringer als der Effekt des
internen Rauschens des Flusses des SQUIDs.
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Da die erfindungsgemäße Anordnung
zu einem SQUID führt,
bei dem das Rauschen des Operationsverstärkers (Rauschen der Spannung)
nicht das Rauschen des Detektors erhöht, nennen wir so einen SQUID
einen SQUID mit hohem Verstärkungsfaktor
(hg-SQUID oder high-gain SQUID); der Detektor verhält sich
genau so, als hätte
er einen sehr hohen Verstärkungsfaktor.
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In beiden erfindungsgemäßen SQUIDs,
dem hg-SQUID und dem un-SQUID, wird die Wichtigkeit der Dämpfung der
mit dem SQUID gekoppelten Flußtransformations spulen
hervorgehoben. Auch in herkömmlichen
SQUIDs erhöhen
Eingangsschaltkreise mit unzureichender Dämpfung das Rauschen des SQUIDs.
Nun ist gemäß der Erfindung
ein Weg entwickelt worden, mit dem alle RC- und Mikrowellenresonanzen
in den SQUID-Strukturen hinreichend gedämpft werden können, indem
integrierte Spulen, Kondensatoren und Widerstände den SQUID-Strukturen hinzugefügt werden.
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Die Erfindung wird nachfolgend detailliert
anhand von Ausführungsbeispielen
und unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben.
Die Figuren zeigen in:
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1 ein
Diagramm, das einen SQUID-Detektor und eine Ausgangssignalverarbeitung
gemäß dem Stand
der Technik darstellt;
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2 eine
Illustration der Abhängigkeit
der Ausgangsspannung des SQUIDs vom tretenden magnetischen Fluß in einer
Anordnung gemäß 1;
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3 einen
Gleichstrom-SQUID;
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4 einen
un-SQUID oder hg-SQUID, bei dem der Widerstand durch eine Reihenschaltung
eines Widerstands und eines Kondensators ersetzt ist;
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5 die
Schaltung von einem un-SQUID oder hg-SQUID in einem allgemeinen
Fall;
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6 eine
Darstellung der Verstärkung
des Ausgangssignals des SQUIDs;
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7 einen
hg-SQUID;
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8 die
Spannungs-Strom-Kennlinie eines herkömmlichen Gleichstrom-SQUIDs für verschiedene
Werte des magnetischen Flusses;
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9 die
Kennlinie eines mit einer Spannung vorgespannten un-SQUIDs und die
Kennlinie eines hg-SQUIDs (gestrichelte Linien); und
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10 die
Verbindung eines SQUIDs mit einer externen Antenne über einen
zwischengeschalteten Transformator.
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1 stellt
in schematischer Form einen SQUID-Detektor 1 und ein herkömmliches
Ausgangssignal-Verarbeitungsgerät
dar. Das Gerät
weist einen Transformator 2 auf, der den Detektor mit einem
FET-Vorverstärker 3 abgleicht.
Der Ausgang des Vorverstärkers
ist durch einen Demodulator 7 und einen Regler 4 an
eine Flußmodulationswindung 5 angeschlossen,
an die auch ein Modulator 6 angeschlossen ist.
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Das Ausgangssignal erhält das Verarbeitungsgerät von dem
Ausgang des Reglers 4. Das Gerät besitzt auch eine Signalwindung 8,
welche verwendet wird, den Strom oder das zu messende Magnetfeld
auf den Ring a des SQUIDs 1 zu übertragen.
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Das SQUID 1 besteht aus
einem supraleitenden Ring a und einem oder zwei Josephson-Kontakten,
die auf einer geringen Temperatur gehalten werden, beispielsweise
4,2 K. Der Transformator 2 und die Windungen 5 und 8 (d.
h. die mit einer gestrichelten Linie eingekreisten Komponenten)
werden auch auf der gleichen Temperatur gehalten. In diesem Fall weist
der Ring a zwei Josephson-Kontakte b und c auf.
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Ein solcher Detektor wird Gleichstrom-SQUID
genannt. Der Detektor wandelt den Fluß F des magnetischen Feldes,
das durch den supraleitenden Ring strömt, in eine Spannung U um. Typischerweise
ist die SQUID-Ausgangsspannung U als Funktion des Flusses F periodisch,
wie in 2 dargestellt,
und enthält
einen konstanten Anteil UV, der von dem
kritischen Strom der Josephson-Kontakte abhängt. Die Periodendauer ist
ein Flussquant FQ = 2,05 × 10–15 Wb.
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Der SQUID-Detektor wird zusammen
mit einem Modulator 4 oder einem sogenannten Flußmodulator
und einem Tieftemperaturtransformator 2 verwendet, um die
geringe Impedanz des SQUIDs mit dem FET-Vorverstärker abzugleichen. Auf einem Feldeffekttransistor
(FET) basierende Verstärker
haben eine sehr geringe Rauschtemperatur in dem Frequenzbereich
von ungefähr
1 kHz bis 100 kHz.
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In dem Flußmodulator 4 ist die
Amplitude eines Rechteck-Modulationssignals auf einen Wert gesetzt,
welcher der Hälfte
der Periodendauer der Antwort entspricht (vgl. 2); demnach sind zwei Arbeitspunkte für jede Periode
FQ vorgesehen, so daß die
Flußmodulation
keine Spannungsvariation an dem Ausgang des SQUIDs bewirkt. Wenn
jedoch der externe Fluß eine
Verschiebung des Arbeitspunktes bewirkt, taucht die Rechteckwelle
parallel zu dem SQUID auf und wird von dem Verstärker 3 verstärkt, der
dem Transformator 2 nachgeschaltet ist. Der Regler 4 setzt
den Fluß auf
Null zurück,
indem der mit dem SQUID gekoppelten Windung 5 ein Korrekturstrom
zugeführt
wird.
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3 zeigt
einen herkömmlichen
Gleichstrom-SQUID, der aus einem Josephson-Kontakt 10, einem Kontakt-Kondensator 11,
einem parallel zu dem Kontakt angeschlossenen Widerstand 12 und einer
die Kontakte verbindenden Induktivität 13 besteht.
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4 zeigt
ein un-SQUID oder hg-SQUID, bei dem der Widerstand 12 durch
eine Reihenschaltung eines Widerstands 14 und eines Kondensators 15 ersetzt
ist. Im Falle eines un-SQUID oder hg-SQUIDs wird eine Impedanz 16 parallel
zu dem SQUID erzeugt, die von den Vorspannungsschaltungen und der
nachgeschalteten Verstärkerstufe
gebildet wird.
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Im Falle eines hg-SQUIDs wird ein
Widerstand 17 parallel zu dem SQUID geschaltet, der einen
Einfluß auf
die UI-Charakteristik des SQUIDs hat. Wenn der die Vorspannung liefernde
Schaltkreis langsam ist, dann ist es oft notwendig, eine Reihenschaltung
eines Kondensators 18 und eines Widerstands 19 außerhalb
des SQUIDs hinzuzufügen.
Der Schaltkreis dämpft
die Kontakte bei Frequenzen, die für den Operationsverstärker zu
hoch sind, für
die in dem SQUID-Schaltkreis integrierten Dämpfungskreise 14 und 15 aber
zu niedrig sind.
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5 zeigt
die Schaltkreise von einem un-SQUID oder hg-SQUID in einem allgemeinen Fall.
Ein wesentliches Merkmal von einem un-SQUID und hg-SQUID ist, daß die Dämpfungsimpedanzen 20 der
Kontakte der Regel unterworfen sind, daß bei niedrigen Frequenzen
der Realteil der Impedanz gegen unendlich geht. Mit anderen Worten,
es können die
Kontakte bei niedrigen Frequenzen nicht gedämpft werden. Bei hohen Frequenzen
können
die Kontakte andererseits mittels der Impedanz 21 gedämpft werden.
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Es ist möglich, parallel zu der Spule 22 ein separates
Dämpfungssystem 23 anzuschließen, das hauptsächlich aus
der Impedanz besteht, die in den Anschlußschaltkreisen des SQUIDs auftritt,
oder aus separaten Dämpfungselementen,
die an dieser Stelle angeordnet sind. Die Impedanz 24 parallel
zu dem SQUID repräsentiert
die Lastimpedanz, die von der Vorspannungsschaltung, der nächsten Verstärkerstufe
oder einer separaten Impedanz gebildet wird.
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6 illustriert
die Verstärkung
eines Ausgangssignals eines SQUIDs, das auf unge dämpften Josephson-Kontakten
basiert. Das SQUID 30 mißt den Ausgangsstrom eines
un-SQUIDs 31. Der Strom 33, der durch den Widerstand 32 fließt, erzeugt
eine Vorspannung an dem un-SQUID, die über eine Eingangsspule 34 des
un-SQUIDs zugeführt
wird. Die Dämpfung
der un-SQUID-Kontakte ist in der Figur mittels Impedanzen 35 und
einer Impedanz 36 dargestellt, die parallel zu den Induktivitäten geschaltet
ist.
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7 zeigt
ein hg-SQUID mit einem Widerstand 40, der parallel dazu
angeordnet ist. Das hg-SQUID erhält über einen
Operationsverstärker 41 und
einen Widerstand 42 eine Vorspannung. Da der dynamische
Widerstand des hg-SQUIDs negativ sein kann, ist das System nur stabil,
wenn es mit negativer Rückkopplung
versehen ist, beispielsweise indem das Ausgangssignal des Operationsverstärkers über einen
Widerstand 43 und eine Spule 44 wieder an das
SQUID zurückgeführt wird.
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Die Form der Kennlinie wird mit Hilfe
eines Widerstandes 40 eingestellt, und die Kontakte sind beispielsweise
im Frequenzbereich von 1 MHz bis 1 GHz mittels eines Widerstandes 45 und
eines Kondensators 46 gedämpft. Das SQUID wird mittels
eines Widerstandes 47 und eines Stromes 48 mit
einer Vorspannung versorgt.
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8 zeigt
die Spannungs/Strom-Kennlinie eines herkömmlichen Gleichstrom-SQUIDs für verschiedene
Werte des magnetischen Flusses. Der Strom, der eine Spannung über dem
SQUID erzeugt, wenn der Fluß Null
ist, beträgt
2 × Ic,
wobei Ic der kritische Strom des Josephson-Kontaktes ist.
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In 9 zeigen
die durchgezogenen Linien die Kennlinien eines un-SQUIDs mit Vorspannung. Vorspannung
bedeutet, daß eine
Quelle niedriger Impedanz parallel zu dem SQUID angeschlossen ist und
der durch die Quelle fließende
Strom gemessen wird. Die Kennlinien des hg-SQUIDs sind mit gestrichelten
Linien dargestellt. Der Widerstand parallel zu dem hg-SQUID hat
einen Effekt auf die Form der Kennlinien.
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Anders als bei einem gewöhnlichen
Gleichstrom-SQUID haben das un-SQUID und das hg-SQUID Kennlinien,
die denjenigen eines Transistors ähneln. Wegen seines hohen dynamischen
Ausgangswiderstandes hat das hg-SQUID einen Verstärkungsfaktor,
der höher
ist als derjenige eines gewöhnlichen
Gleichstrom-SQUIDs. Das un-SQUID hat einen negativen Ausgangswiderstand
und zeigt wegen der geringeren Dämpfung
bei niedrigen Frequenzen der Kontakte weniger Rauschen als ein gewöhnliches
Gleichstrom-SQUID oder ein hg-SQUID.
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Wie in 10 dargestellt,
ist das SQUID häufig über einen
zwischengeschalteten Transformator an eine externe Antenne angeschlossen.
Der Transformator bildet eine Übertragungsleitung.
Das in der Übertragungsleitung
fließende
Mikrowellensignal kann bei Unstetigkeiten der Impedanz reflektiert werden.
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Häufig
ist die Übertragungsleitung
mit einem RC-Kreis 50 abgeschlossen. Speziell wenn ein
zwischengeschalteter Transformator mit einem RC-Kreis verwendet
wird, wird kein hinreichender Abgleich erreicht. Das liegt daran,
daß bei
hohen Frequenzen die Sekundärspule
des zwischengeschalteten Transformators einen Zustand repräsentiert,
der nahezu gleich einem Kurzschluß ist.
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Wenn beispielsweise eine Spule 51 und
parallel dazu eine Reihenschaltung eines Widerstandes 52 und
eines Kondensators 53 hinzugefügt wird, kann die Übertragungsleitung
so abgeglichen werden, daß keine
Reflexionen entstehen. Zusätzlich kann
der in der Gestalt einer Ziffer „8" geformte zwischengeschaltete Transformator
mit einer Reihenschaltung eines Widerstandes 54 und eines
Kondensators 55 versehen sein. Der dem zwischengeschalteten
Transformator nachgeschaltete Transformator muß mit einem RC-Kreis 56 versehen
sein.
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Das Erreichen eines geringen Rauschpegels erfordert
die Verwendung von sämtlichen
oben beschriebenen Komponenten, aber die hier beschriebene Anordnung
betrifft eine Reihenschaltung, die in der Antennenstruktur des SQUIDs
oder in dem zwischengeschalteten Transformator angeordnet ist und in
welcher die Induktivität
supraleitend ist und ein verlustbehafteter Schaltkreis, beispielsweise
die Reihenschaltung eines Widerstandes und eines Kondensators, parallel
dazu angeordnet ist.
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Der verlustbehaftete Schaltkreis,
der parallel zu der Spule angeschlossen ist, kann auch komplexer
sein als ein RC-Kreis. Der wesentliche Punkt ist jedoch, daß der Schaltkreis
bei niedrigen Frequenzen kein Rauschen des Stromes in dem zwischengeschalteten
Transformator oder in dem Antenneninduktor erzeugt. Sonst würde das
Rauschen des SQUIDs erhöht.