DE69631411T2

DE69631411T2 - Squidmagnetometer und zerstörungsfreies Prüfgerät

Info

Publication number: DE69631411T2
Application number: DE69631411T
Authority: DE
Inventors: Kazuo Mihama-ku Chinone; Satoshi Mihama-ku Nakayama; Toshimitsu Mihama-ku Morooka; Akikazu Mihama-ku Odawara
Original assignee: Seiko Instruments Inc
Current assignee: Hitachi High Tech Science Corp
Priority date: 1995-11-22
Filing date: 1996-10-10
Publication date: 2004-07-15
Anticipated expiration: 2016-10-11
Also published as: DE69631411D1; JPH09145810A; EP0775917A2; EP0775917A3; JP2909807B2; EP0775917B1; US5854492A

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein supraleitendes Quanteninterferenzmagnetometer (im folgenden als SQUID-Magnetometer bezeichnet), welches verwendet wird für die Durchführung zerstörungsfreier Prüfungen an Fehlstellen, Korrosionsbereichen u. s. w. von Metallen in einer zerstörungsfreien und berührungsfreien Weise, und auf ein zerstörungsfreies Prüfgerät, welches das SQUID-Magnetometer verwendet.
Insbesondere bezieht sich die vorliegende Erfindung auf ein supraleitendes Quanteninterferenzmagnetometer (SQUID-Magnetometer) gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Solch ein SQUID-Magnetometer ist zum Beispiel aus US-Patent 4,588,947 bekannt. Darin sind die Windungen einer Magnetfeldanlegespüle um die Windungen einer Unterlagspule gewickelt, die verbunden ist mit zwei Josephson-Übergängen, um eine supraleitende Schleife zu bilden. Jedoch sind die Windungen der Magnetfeldanlegespule nicht um die Josephson-Übergänge als solche gewickelt.
Aus IEEE Trans. Appl. Supercond. 2 (1993), 1795–1799 sind auch Anordnungen von SQUID-Magnetometern bekannt, bei denen die Windungen einer Magnetfeldanlegespule um die Windungen der Unterlagspulen eines SQUID-Magnetometers gewickelt sind, ohne um zwei Josephson-Übergänge innerhalb des SQUID gewickelt zu sein.
4 ist eine schematische Darstellung eines Geräts zur zerstörungsfreien Prüfung, welches ein herkömmliches SQUID-Magnetometer verwendet. Ein SQUID 1, eine Signalaufnahmespule 2, die supraleitend mit dem SQUID 1 verbunden ist, und eine Magnetfeldanlegespule 9 werden in einem Kühlgefäß 12 gehalten, und eine Treiberschaltung 13 für den SQUID 1 ist oberhalb des Kühlgefäßes 12 angebracht. Die Signalaufnahmespule 2 und die Magnetfeldanlegespule 9 sind so angeordnet, daß sie einer Probe 10 gegenüberliegen. Die Probe 10 wird auf eine Probenabtastvorrichtung 11 aufgelegt.
Die zu untersuchende Probe 10 wird durch die Probenabtastvorrichtung 11 abgetastet und ein Gleichstrom- oder Wechselstrommagnetfeld zur Überprüfung werden durch die Magnetfeldanlegespule 9 in Abstimmung mit dem Material der Probe 10 angelegt. Ein magnetisches Signal, welches von der Probe 10 durch das Prüfmagnetfeld erzeugt wird, wird durch die Signalaufnahmespule 2 erfaßt. Ein durch die Signalaufnahmespule 2 erfaßter Magnetfluß wird auf den SQUID 1 übertragen. Der SQUID 1 wird mittels der Treiberschaltung 13 als Magnetometer betrieben.
Besteht die Probe 10 aus einem magnetischen Material, so weisen defekte und nicht defekte Bereiche eine unterschiedliche magnetische Permeabilität auf. Wird ein Gleichstrommagnetfeld an die Probe 10 mittels der Magnetfeldanlegespule 9 angelegt, so wird das angelegte Magnetfeld an den Orten der Defekte verzerrt. Die Verzerrung des Magnetfelds wird durch den SQUID 1 mittels der Signalaufnahmespule 2 erfaßt, wodurch die Position und Größe des Defekts erfaßt werden können.
Besteht die Probe 10 aus einem nichtmagnetischen leitenden Material, so wird ein Wechselstrommagnetfeld mittels der Magnetfeldanlegespule 9 an die Probe 10 angelegt. In der Probe wird durch das angelegte Wechselstrommagnetfeld ein Wirbelstrom erzeugt, und der Wirbelstrom zeigt Turbulenzen an den Defektbereichen in der Probe. Die Turbulenz im Wirbelstrom wird durch die Signalaufnahmespule 2 und den SQUID 1 erfaßt, wodurch die Position des Defekts erfaßt wird.
In einer herkömmlichen Prüfvorrichtung, die ein SQUID-Magnetometer verwendet, wird eine große Magnetfeldanlegespule neben einem SQUID verwendet. Bei diesem Aufbau ist ein großer Raum erforderlich zum Einbau der Magnetfeldanlegespule, so daß die Abmessungen der Vorrichtung sich vergrößern. Wenn die zu untersuchende Probe klein ist oder wenn die Auflösung in einer planaren Position hoch sein muß, ist es deshalb schwierig, geeignete Mittel bereitzustellen.
Es ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung, ein SQUID-Magnetometer und eine zerstörungsfreie Prüfvorrichtung bereitzustellen, die einen kompakten Systemaufbau zeigen.
Dieses Ziel wird erreicht durch ein SQUID-Magnetometer gemäß Anspruch 1 und ein zerstörungsfreies Prüfgerät gemäß Anspruch 5.
Für das so aufgebaute SQUID-Magnetometer muß die Magnetfeldanlegespule nicht außerhalb angebracht sein, so daß eine Vergrößerung in den Abmessungen der Vorrichtung begrenzt werden kann, wodurch sich ein einfacher Aufbau ergibt. Deshalb kann das SQUID-Magnetometer selbst dann verwendet werden, wenn die zu untersuchende Probe klein ist, oder wenn eine höhere planare Auflösung erforderlich ist.
Wird eine zerstörungsfreie Prüfung durchgeführt durch Verwendung des SQUID-Magnetometers, so kann leicht ein magnetischer Fluß auf die zu untersuchende Probe gegeben werden.
Weiterhin ist es vor der zerstörungsfreien Prüfung notwendig, die Empfindlichkeit des SQUID-Magnetometers zu kennen. Die Magnetfeldanlegespule kann auch verwendet werden für die Kalibrierung der Empfindlichkeit des SQUID. Die Empfindlichkeitskalibrierung des SQUID kann durchgeführt werden durch Erzeugen eines magnetischen Felds von vorbestimmter Stärke mit der Magnetfeldanlegespule ohne Probe und durch Messen eines Ausgabesignals des SQUID-Magnetometers.
Die Magnetfeldanlegespule kann als Hitzstoßheizvorrichtung verwendet werden, indem sie hergestellt wird aus einem normalleitenden metallischen Dünnfilm. Wird ein supraleitendes Material auf sehr tiefe Temperaturen in einem Magnetfeld abgekühlt, so wird das Magnetfeld im supraleitenden Material eingeschlossen. Dieses Phänomen wird als magnetischer Flußeinschluß bezeichnet. Der magnetische Flußeinschluß verschlechtert die Eigenschaften des SQUID. Um den Flußeinschluß aus dem supraleitenden Material zu entfernen, werden die supraleitenden Eigenschaften des Materials mittels Erwärmen hin zu normalleitenden Eigenschaften verändert. Und danach werden die Eigenschaften des Materials abermals in supraleitende Eigenschaften geändert. Dieses Phänomen wird als Hitzestoß ("hegt flash") bezeichnet. Die Magnetfeldanlegespule, die aus einem dünnen Film eines normalleitenden Materials besteht, kann als Hitzstoßheizvorrichtung zur Erzeugung von Wärme dienen. Deshalb kann der im SQUID eingeschlossene Magnetfluß leicht freigesetzt werden.
KURZE FIGURENBESCHREIBUNG
1 ist eine schematische Darstellung eines SQUID-Magnetometers und zeigt eine erste Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
2 ist eine Ansicht, die ein SQUID in Übereinstimmung mit der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt, dargestellt durch einen äquivalenten Schaltkreis;
3 ist eine Darstellung des äquivalenten Schaltkreises eines SQUID-Magnetometers und zeigt eine zweite Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
4 ist eine schematische Darstellung eines zerstörungsfreien Prüfgeräts, welches ein herkömmliches SQUID-Magnetometer verwendet.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Gemäß der vorliegenden Erfindung umfaßt ein SQUID-Magnetometer ein supraleitendes Quanteninterferometer (SQUID) mit einem Paar von Josephson-Übergängen, die ausgebildet sind auf einem supraleitenden Dünnfilm auf einem Substrat, eine Unterlagspule, die verbunden ist mit den Josephson-Übergängen, um eine supraleitende Schleife zu bilden, und eine Rückkopplungsmodulationsspule, die magnetisch gekoppelt ist mit der Unterlagspule, eine Treiberschaltung zum Bedienen des supraleitenden Quanteninterferometers als Magnetometer, und eine Magnetfeldanlegespule, die auf demselben Substrat ausgebildet ist, um ein vorbestimmtes Magnetfeld auf eine zu untersuchende Probe einwirken zu lassen.
Die Magnetfeldanlegespule kann ausgebildet sein als supraleitender Dünnfilm oder kann ausgebildet sein aus einem normalleitenden metallischen Dünnfilm auf demselben zuvorgenannten Substrat.
Weiterhin können eine Signalaufnahmespule zum Erfassen des Magnetfelds und eine mit der Unterlagspule magnetisch gekoppelte Eingabespule auf demselben Substrat integriert sein, auf dem das supraleitende Quanteninterferometer und die Magnetfeldanlegespule ausgebildet sind.
Es kann auch ein zerstörungsfreies Prüfgerät bereitgestellt werden, welches das zuvorgenannte supraleitende Quanteninterferenzmagnetometer umfaßt, Probenabtastmittel zum Abtasten der zu untersuchenden Probe und Mittel zum Beurteilen der Position eines Defekts in der zu untersuchenden Probe, basierend auf dem Erfassungsergebnis des an die zu untersuchende Probe angelegten Magnetfelds.
Da das so aufgebaute SQUID-Magnetometer eine Magnetfeldanlegespule aufweist, die auf demselben Substrat integriert ist wie das SQUID-Substrat, kann, wenn das zerstörungsfreie Prüfgerät, welches das SQUID-Magnetometer verwendet, aufgebaut wird, ein Anstieg in den Abmessungen des Geräts begrenzt werden, was zu einem einfachen Aufbau führt. Daraufhin kann das SQUID-Magnetometer selbst dann verwendet werden, wenn die zu untersuchende Probe klein ist, oder wenn eine hohe planate Auflösung erforderlich ist.
Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen erläutert.
1 ist eine Draufsicht auf ein SQUID-Magnetometer und zeigt eine erste Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Auf einem Substrat 14 sind zwei Josephson-Übergänge 3 integriert, eine Unterlagspule 4, die eine supraleitende Schleife mit den Josephson-Übergängen 3 bildet, Nebenschlußwiderstände 5, die parallel verbunden sind mit den Josephson-Übergängen 3, um eine Hysterese in den Stromspannungskennlinien zu eliminieren, und ein Dämpfungswiderstand 6, der parallelgeschaltet ist, um eine unnötige Resonanz in der Unterlagspule 4 zu unterbinden. Weiterhin ist eine Rückkopplungsmodulationsspule 8 magnetisch mit der Unterlagspule 4 gekoppelt, um einen Antrieb bereitzustellen unter Verwendung einer FLL-Schaltung (Flux Locked Loop – Schleife mit eingeschlossenem Fluß). Ein SQUID 1 ist auf so eine Weise aufgebaut.
Um ein Gleichstrom- oder ein Wechselstrommagnetfeld auf eine Probe einwirken zu lassen, wird eine Vielzahl von Windungen einer Magnetfeldanlegespule 9 um den SQUID 1 gewunden. Die Magnetfeldanlegespule 9 ist auf demselben Substrat 14 integriert wie das des SQUID 1. Das Material der Magnetfeldanlegespule 9 kann ein supraleitender Dünnfilm oder kann ein normalleitender metallischer Dünnfilm sein. Bei dieser Ausführungsform ist eine Vielzahl von Windungen der Magnetfeldanlegespule 9 herumgewickelt. Die Anzahl der Windungen, welche abhängig ist vom Wert des in der Magnetfeldanlegespule fließenden Stroms und der Leitfähigkeit einer zu untersuchenden Probe, kann einfach oder mehrfach sein.
Wird ein SQUID-Magnetometer in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung in einer zerstörungsfreien Prüfung verwendet, so wird ein Gleichstrom- oder ein Wechselstrommagnetfeld an die Probe angelegt mittels der Magnetfeldanlegespule 9, in Übereinstimmung mit dem Material der Probe, und eine Änderung im Magnetfeld, die verursacht wird durch einen Defektbereich der Probe, wird direkt durch die Unterlagspule 4 erfaßt, wodurch die Position und die Größe des Defekts untersucht werden.
Für die aus magnetischem Material bestehende Probe wird die Tatsache ausgenutzt, daß die Defekt- und die Nicht-Defekt-Bereiche unterschiedliche magnetische Permeabilität aufweisen, und ein Gleichstrommagnetfeld wird an die Probe angelegt durch die Magnetfeldanlegespule 9. Da das angelegte Gleichstrommagnetfeld an der Defektstelle verzerrt ist, wird die Verzerrung des Magnetfelds durch die Unterlagspule 4 erfaßt.
Für eine aus einem nichtmagnetischen leitenden Material bestehende Probe wird ein Wechselstrommagnetfeld durch die Magnetfeldanlegespule an die Probe angelegt. Ein Wirbelstrom wird in der Probe erzeugt durch das angelegte Wechselstrommagnetfeld, und im Wirbelstrom treten Turbulenzen an den Defektbereichen in der Probe auf. Die Turbulenz des Wechselstroms wird als Turbulenz des magnetischen Felds durch die Unterlagspule 4 erfaßt.
2 zeigt den Bereich des SQUID 1 des in 1 gezeigten SQUID-Magnetometers, dargestellt durch einen äquivalenten Schaltkreis. In dieser Figur sind die Verbindungszustände zwischen den Josephson-Übergängen 3, der Unterlagspule 4, den Nebenschlußwiderständen 5, dem Dämpfungswiderstand 6 und der Rückkopplungsmodulationsspule 8 dargestellt durch Schaltkreissymbole, welche der schematischen Ansicht der 1 entsprechen.
3 ist eine Draufsicht auf ein SQUID-Magnetometer und zeigt eine zweite Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. In 3 wird der SQUID 1 aus Gründen der Vereinfachung ebenfalls durch einen äquivalenten Schaltkreis dargestellt. Bei der zuvor genannten Ausführungsform wird die Änderung im Magnetfeld der Spule direkt durch die Unterlagspule 4 erfaßt, während bei dieser Ausführungsform eine nur diesem Zwecke dienende Signalaufnahmespule bereitgestellt wird, um die Änderung im Magnetfeld der Probe zu erfassen, und eine Eingabespule wird bereitgestellt, um die Änderung in dem durch die Signalaufnahmespule erfaßten Magnetfeld auf den SQUID 1 zu geben.
Die Magnetfeldanlegespule 9 umfaßt mehrere Windungen, die um den SQUID 1 integriert sind. Die Signalaufnahmespule 2 vom planaren Typ, welche auf demselben Substrat integriert ist wie die für den SQUID 1, erfaßt die Änderung im Magnetfeld, die durch einen Defekt in der Probe erzeugt wird. Die Eingabespule 7, die magnetisch gekoppelt ist mit der Unterlagspule 4, übermittelt das durch die Signalaufnahmespule 2 vom Planartyp erfaßte Magnetfeld auf die Unterlagspule 4. Die Form der Unterlagspule 2 vom Planartyp kann ein Magnetometertyp oder ein Differenztyp sein.
Die Magnetfeldanlegespule 9 wird nicht nur verwendet zum Anlegen des Magnetfelds an die zu untersuchende Probe bei zerstörungsfreien Prüfungen, sondern kann auch verwendet werden als Spule für Empfindlichkeitskalibrierungen, bei welchen das Magnetfeld angelegt wird, um die Empfindlichkeit des SQUID zu kalibrieren.
Die Magnetfeldanlegespule 9 kann aus einem supraleitenden Dünnfilm bestehen. Sie kann jedoch auch verwendet werden als Hitzstoßheizvorrichtung zum Freisetzen des Magnetfeldeinschlusses, was die Eigenschaft des SQUID verringert, indem es zu einem normalleitenden metallischen Dünnfilm gemacht wird.
Wie oben beschrieben, gilt, da gemäß der vorliegenden Erfindung die Magnetfeldanlegespule und der SQUID auf demselben Substrat integriert sind, daß bei einer Prüfvorrichtung, die den SQUID verwendet, die Magnetfeldanlegespule nicht außerhalb davon aufgebaut werden muß, so daß eine Vergrößerung in den Abmessungen der Vorrichtung beschränkt werden kann, wodurch sich ein einfacher Aufbau ergibt.
Wird eine zerstörungsfreie Prüfung durchgeführt, so kann ein Magnetfeld leicht auf die zu untersuchende Probe einwirken. Auch kann die Empfindlichkeitskalibrierung des SQUID leicht durchgeführt werden.
Die Magnetfeldanlegespule kann als Hitzstoßheizvorrichtung verwendet werden, indem sie zu einem normalleitenden metallischen Dünnfilm gemacht wird. Dies zieht verschiedene Effekte nach sich, wie, daß zum Beispiel der im SQUID eingeschlossene Magnetfluß leicht freigesetzt wird.

Claims

Supraleitendes Quanteninterferenzmagnetometer, welches umfaßt: ein supraleitendes Quanteninterferometer (1) mit zwei Josephson-Übergängen (3) auf einem Substrat (14), eine Unterlagspule (4), die mit den Josephson-Übergängen (3) verbunden ist, um eine supraleitende Schleife zu bilden, eine Rückkopplungsmodulationsspule (8), die magnetisch verbunden ist mit der Unterlagspule (4), eine Treiberschaltung (13), um das supraleitende Quanteninterferometer (1) als Magnetometer zu betreiben; und eine Magnetfeldanlegespule (9), die ausgebildet ist auf dem Substrat (14), um ein vorbestimmtes Magnetfeld auf eine zu untersuchende Probe (10) einwirken zu lassen, dadurch gekennzeichnet, daß die Magnetfeldanlegespule (9) um den SQUID (1) herum integriert ist.
Supraleitendes Quanteninterferenzmagnetometer gemäß Anspruch 1, wobei die Magnetfeldanlegespule (9) ausgebildet ist aus einem supraleitenden Dünnfilm auf dem Substrat (14).
Supraleitendes Quanteninterferenzmagnetometer gemäß Anspruch 1, wobei die Magnetfeldanlegespule (9) ausgebildet ist aus einem normalleitenden metallischen Dünnfilm auf dem Substrat (14).
Supraleitendes Quanteninterferenzmagnetometer gemäß Anspruch 1, wobei eine Signalaufnahmespule (2) zum Erfassen von Magnetfeldern und eine Eingabespule (7), die magnetisch gekoppelt ist mit der Unterlagspule (4), auf demselben Substrat (14) integriert sind, wie das supraleitende Quanteninterferometer (1) und die Magnetfeldanlegespule (9).
Zerstörungsfreies Prüfgerät, welches umfaßt: ein supraleitendes Quanteninterferenzmagnetometer (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, Probenabtastmittel (11) zum Abtasten der zu untersuchenden Probe (10), und Mittel zum Beurteilen der Position eines Defekts in der zu überprüfenden Probe (10), abhängig vom Ergebnis der Erfassung des an die zu untersuchende Probe (10) angelegten Magnetfelds.