EP1368664A2 - Planares layout für die operation eines rf-squid-magnetometers - Google Patents

Planares layout für die operation eines rf-squid-magnetometers

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EP1368664A2
EP1368664A2 EP02714007A EP02714007A EP1368664A2 EP 1368664 A2 EP1368664 A2 EP 1368664A2 EP 02714007 A EP02714007 A EP 02714007A EP 02714007 A EP02714007 A EP 02714007A EP 1368664 A2 EP1368664 A2 EP 1368664A2
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
squid
resonator
arrangement according
loop
space
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP02714007A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Zhang Yi
Jürgen Schubert
Norbert Wolters
Willi Zander
Marko Banzet
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Forschungszentrum Juelich GmbH
Original Assignee
Forschungszentrum Juelich GmbH
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Filing date
Publication date
Application filed by Forschungszentrum Juelich GmbH filed Critical Forschungszentrum Juelich GmbH
Publication of EP1368664A2 publication Critical patent/EP1368664A2/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R33/00—Arrangements or instruments for measuring magnetic variables
    • G01R33/02—Measuring direction or magnitude of magnetic fields or magnetic flux
    • G01R33/035—Measuring direction or magnitude of magnetic fields or magnetic flux using superconductive devices
    • G01R33/0354—SQUIDS
    • G01R33/0358—SQUIDS coupling the flux to the SQUID

Definitions

  • the present invention relates to an arrangement for coupling an rf-SQUID magnetometer to a superconducting tank resonant circuit, in which a resonator and the rf-SQUID form a coplanar structure, the rf-SQUID having a SQUID washer structure.
  • the object of the present invention is therefore to create an arrangement of the generic type in which no or only a small part of the rf energy is emitted into the environment and which thus represents a "closed" system with respect to the environment.
  • the object is achieved in that the resonator is formed within a space delimited by the rf-SQUID.
  • the rf-SQUID with its pickup loop fulfills not only its function as a signal pick-up but also the function of shielding the coplanar resonator from the environment.
  • the shielding reduces the rf energy of the resonator radiated into the environment.
  • the arrangement according to the invention is now referred to as a toroidal layout.
  • Figure 1 is a schematic plan view of a first embodiment of the arrangement according to the invention.
  • FIG. 2 shows a schematic top view of a second embodiment of the arrangement according to the invention
  • Figure 3 is a schematic plan view of a third embodiment of the arrangement according to the invention
  • FIG. 4 shows a schematic top view of a fourth embodiment of the arrangement according to the invention.
  • an rf-SQUID 1 is shown schematically, which is designed as a circular washer.
  • a space 3 is excluded in the circular area of rf-SQUID 1.
  • the rf-SQUID 1 thus forms a pickup loop 1.1 with two ends 1.2, 1.3, which in turn delimit a narrow gap 5.
  • the two ends 1.2 and 1.3 are each connected via a web 7.1 or 7.2 to a SQUID loop 1.4 which is concentric with a surface center R of the room 3 and in this embodiment also the center S of the rf-SQUID 1.
  • the space 3 is thus completely delimited by an arc-shaped Irmen wall section 1.5 of the pickup loop 1.1, the two webs 7.1 and 7.2 and the SQUID loop 1.4.
  • a resonator 9 is arranged concentrically to the center R or S, coplanar with the rf-SQUID 1 or the pickup loop 1.1.
  • the resonator 9 comprises two thin loops 9.1 and 9.2. The degree of coupling can be adapted to different conditions or adjusted to different conditions over the length of the resonator 9.
  • the basic shape of the arrangement is no longer circular but square.
  • the room 3 is no longer, inter alia, by a single circular arc section
  • the resonator 9 with its two thin loops 9.1 and 9.2 is correspondingly angular, the individual straight loop sections being parallel run to the inner wall sections 1.5.
  • the resonator 9 is long-order concentric to the centers R and S of the space 3 or the SQUID.
  • the basic shape is angular and in particular square or square.
  • the space 3 is only limited to one surface half of the washer-rf-SQUID 1, namely the surface half in which the gap 5 does not lie, the inner wall section 1.5 running parallel to the corresponding outer wall sections 1.6.
  • the room 3 has a bridge shape in plan view, bridging the center S of the rf-SQUID 1.
  • the resonator 9 also has a corresponding bridge shape.
  • the two loops 9.1 and 9.2 are no longer concentric with a room center R, since this is no longer centered.
  • the loops 9.1 and 9.2 are only concentric to the center S of the rf-SQUID 1.
  • the basic shape is square and in particular square or square.
  • the space 3 is only limited to the area half in which the gap 5 is not located.
  • the space 3 is rectangular, two inner wall sections 1.5 having the original length and each being connected to one another via a shorter inner wall section 1J.
  • the inner wall section 1.5 runs parallel to the outer wall section 1.6, which lies opposite the gap 5.
  • the resonator 9 is linear with its two loops 9.1 and 9.2 and runs parallel to the inner wall section 1.5.
  • a dielectric substrate with a high ⁇ value e.g. B. SrTiO used.
  • first embodiment second embodiment 215 MHz third embodiment 425 MHz fourth embodiment 650 MHz All resonators have an unloaded quality of> 5000 at a temperature of 77 K.
  • the noise of the rf-SQUIDs 1 was measured. It is ⁇ 50 fT / Hz, at ⁇ 10 Hz.

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Superconductor Devices And Manufacturing Methods Thereof (AREA)

Abstract

In einer Anordnung zur Ankopplung eines rf-SQUID-Magnetometers an einen supraleitenden Tankschwingkreis auf einem Substrat, in welcher ein Resonator und das rf-SQUID eine koplanare Struktur bilden, wobei das rf-SQUID eine SQUID-washer-Struktur aufweist, ist der Resonator innerhalb eines von dem rf-SQUID umgrenzten Raumes ausgebildet.

Description

Planares Layout für die Operation eines rf-SQUID-Magnetometers
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Anordnung zur Ankopplung eines rf-SQUID- Magnetometers an einen supraleitenden Tankschwingkreis, in welcher ein Resonator und das rf-SQUID eine koplanare Struktur bilden, wobei das rf-SQUID eine SQUID-washer- Struktur aufweist.
Eine solche Anordnung bzw. ein solches Layout ist aus DE 197 17 801 C2 bekannt. Die darin beschriebene Anordnung kann als „offene" Anordnung bezeichnet werden, da der Resonator in Form von zwei dünnen Schleifen (loops) den rf-SQUID-washer außen umschließt. Dies hat den Nachteil, daß nur ein sehr geringer Anteil der rf-Energie des Resonators in die SQUID-Schleife gelangt. Der größte Teil der rf-Energie des Resonators wird in die Umgebung abgestrahlt. Dadurch ist für das Maß der Kopplung zwischen rf-SQUID und Tankschwingkreis bzw. Resonator auch die Umgebung eine zu berücksichtigende Größe.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist daher, eine Anordnung der gattungsgemäßen Art zu schaffen, bei der keine oder nur ein geringer Teil der rf-Energie in die Umgebung abgestrahlt wird und die somit ein gegenüber der Umgebung „geschlossenes" System dar- stellt.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Resonator innerhalb eines von dem rf-SQUID umgrenzten Raumes ausgebildet ist.
Durch diese Maßnahme erfüllt der rf-SQUID mit seiner Pickup-Loop neben seiner Funktion als Signalaufnehmer auch die Funktion, den koplanaren Resonator von der Umgebung abzuschirmen. Durch die Abschirmung wird die in die Umgebung abgestrahlte rf-Energie des Resonators viel geringer. Die erfindungsgemäße Anordnung wird nun im Unterschied zu bisherigen Layouts als toroidales Layout bezeichnet.
Weitere Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus den Merkmalen der Unteransprüche 2 bis 10. Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden im folgenden anhand der Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigen:
Figur 1 eine schematische Draufsicht einer ersten Ausfuhrungsform der erfindungs- gemäßen Anordnung;
Figur 2 eine schematische Draufsicht einer zweiten AusfuTirungsform der erfm- dungsgemäßen Anordnung; Figur 3 eine schematische Draufsicht einer dritten Ausfuhrungsform der erfindungsgemäßen Anordnung; und Figur 4 eine schematische Draufsicht einer vierten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anordnung.
In Fig. 1 ist schematisch ein rf-SQUID 1 dargestellt, der als kreisrunder washer ausgebildet ist. In der Kreisfläche des rf-SQUID 1 ist ein Raum 3 ausgenommen. Der rf-SQUID 1 bil- det somit eine Pickup-Schleife 1.1 mit zwei Enden 1.2, 1.3, die wiederum einen schmalen Spalt 5 begrenzen. Die beiden Enden 1.2 und 1.3 sind jeweils über einen Steg 7.1 bzw. 7.2 mit einer zu einem Flächenzentrum R des Raumes 3 und in dieser Ausführungsform auch des Zentrums S des rf-SQUIDs 1 konzentrischen SQUID-Schleife 1.4 verbunden. Der Raum 3 wird also vollständig durch einen kreisbogenförmigen Irmenwandabschnitt 1.5 der Pickup-Schleife 1.1 , die beiden Stege 7.1 und 7.2 sowie die SQUID-Schleife 1.4 begrenzt.
In dem Raum 3 ist koplanar zu dem rf-SQUID 1 bzw. der Pickup-Schleife 1.1, ein Resonator 9 konzentrisch zu dem Zentrum R bzw. S angeordnet. Der Resonator 9 umfaßt in der vorliegenden Ausführungsform zwei dünne Schleifen 9.1 und 9.2. Über die Länge des Re- sonators 9 kann das Maß der Kopplung an unterschiedliche Bedingungen angepaßt bzw. auf unterschiedliche Bedingungen eingestellt werden.
In Fig. 2 ist eine zweite Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt. Die Grundform der Anordnung ist nicht mehr kreisrund sondern quadratisch. Der Raum 3 wird nicht mehr unter anderem durch einen einzigen kreisbogenförmigen Irmenwandabschtiitt
1.5 sondern durch vier gerade Innenwandabschnitte 1.5 begrenzt, die jeweils in einem rechten Winkel zueinander stehen und parallel zu entsprechenden Außenwandabschnitten
1.6 verlaufen. Auch der Resonator 9 mit seinen beiden dünnen Schleifen 9.1 und 9.2 ist entsprechend eckig ausgebildet, wobei die einzelnen geraden Schleifenabschnitte parallel zu den Innenwandabschnitten 1.5 verlaufen. Auch in dieser Ausführungsform ist der Resonator 9 konzentrisch zu den Zentren R und S des Raumes 3 bzw. des SQUIDs langeordnet.
In Fig. 3 ist eine dritte Ausf hrungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt. Die Grundform ist wie in der zweiten Ausfühnmgsform eckig und insbesondere viereckig bzw. quadratisch. Der Raum 3 ist allerdings nur auf eine Flächenhälfte des washer-rf-SQUIDs 1 beschränkt, nämlich die Flächenhälfte, in der nicht der Spalt 5 liegt, wobei die Innenwandabschnitt 1.5 parallel zu den entsprechenden Außenwandabschnitten 1.6 verlaufen. Der Raum 3 hat in Draufsicht eine Brückenform unter Überbrückung des Zentrum S des rf- SQUIDs 1. Auch der Resonator 9 hat eine entsprechende Brückenform. In dieser Ausführungsform liegen die beiden Schleifen 9.1 bzw. 9.2 nicht mehr konzentrisch zu einem Raumzentrum R, da dieser nicht mehr zentriert ausgebildet ist. Die Schleifen 9.1 und 9.2 liegen nur noch konzentrisch zu dem Zentrum S des rf-SQUID 1.
In Fig. 4 ist eine vierte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt. Die Grundform ist wie in der zweiten und dritten Ausführungsform eckig und insbesondere viereckig bzw. quadratisch. Der Raum 3 ist wie in der dritten Ausführungsform nur auf die Flächenhälfte beschränkt, in der nicht der Spalt 5 liegt. Der Raum 3 ist rechteckig ausgebildet, wobei zwei Innenwandabschnitte 1.5 die ursprüngliche Länge haben und über je- weils einen kürzeren Innenwandabschnitt 1J miteinander verbunden sind. Der Innenwandabschnitt 1.5 verläuft zu dem Außenwandabschnitt 1.6 parallel, der dem Spalt 5 gegenüberliegt. Der Resonator 9 ist mit seinen beiden Schleifen 9.1 und 9.2 linear ausgebildet und verläuft parallel zu dem Innenwandabschnitt 1.5.
Für alle vorgenannten Ausführungsformen wird ein dielektrisches Substrat mit hohem ε- Wert, z. B. SrTiO, verwendet.
Die Resonanz-Frequenzen zu den vorgenannten vier Ausführungsformen betragen für die
erste Ausführungsform zweite Ausf hrungsform 215 MHz dritte Ausführungsform 425 MHz vierte Ausführungsform 650 MHz Alle Resonatoren haben eine unbelastete Güte von >5000 bei einer Temperatur von 77 K. Das Rauschen der rf-SQUIDs 1 wurde gemessen. Es beträgt <50 fT/Hz, bei <10 Hz.

Claims

Patentansprüche
1. Anordnung zur Ankopplung eines rf-SQUID-Magnetometers an einen supraleitenden Tankschwingkreis auf einem Substrat, in welcher ein Resonator und das rf-SQUID eine koplanare Struktur bilden, wobei das rf-SQUID eine SQUID-washer-Struktur aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß der Resonator (9, 9.1, 9.2) innerhalb eines von dem rf-SQUID (1) umgrenzten Raumes (3) ausgebildet ist.
2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Resonator (9, 9.1, 9.2) eine auf das Maß der Kopplung abgestimmte Länge hat.
3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Resonator (9, 9.1, 9.2) eine erste dünne Schleife (9.1) und eine zweite dünne Schleife (9.2) aufweist, die in Abstand zueinander angeordnet sind.
4. Anordnung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Raum (3) Innenwände (1.5) aufweist, die rechtwinklig zueinander stehen.
5. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Raum (3) eine Innenwand (1.5) in Form eines Kreisbogenabschnitts aufweist.
6. Anordnung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Resonator (9, 9.1, 9.2) konzentrisch zu einem Zentrum (R) des Raumes (3) angeordnet ist.
7. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Resonator (9, 9.1, 9.2 ) konzentrisch zu einem Zentrum (Z) des rf-SQUIDs (1) angeordnet ist.
8. Anordnung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Schleife (9.1) und die zweite Schleife (9.2) des Resonators (9) linear ausgebildet sind.
9. Anordnung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat ein dielektrisches Substrat mit einem hohen ε-Wert ist.
10. Anordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat SrTiO ist.
EP02714007A 2001-03-10 2002-02-15 Planares layout für die operation eines rf-squid-magnetometers Withdrawn EP1368664A2 (de)

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DE19717801C2 (de) * 1996-11-28 2000-01-05 Forschungszentrum Juelich Gmbh Anordnung zur Ankopplung eines rf-Squid an einen supraleitenden Tankschwingkreis
DE19839935C1 (de) * 1998-09-02 2000-02-03 Forschungszentrum Juelich Gmbh rf-SQUID-Anordnung

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* Cited by examiner, † Cited by third party
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