WO1994029739A1 - RF-SQUID MIT EINEM INTEGRIERTEN μ-MIKROWELLENRESONATOR ALS HOCHEMPFINDLICHES MAGNETOMETER - Google Patents

RF-SQUID MIT EINEM INTEGRIERTEN μ-MIKROWELLENRESONATOR ALS HOCHEMPFINDLICHES MAGNETOMETER Download PDF

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    • Y10S505/846—Magnetometer using superconductive quantum interference device, i.e. squid

Definitions

  • the invention relates to an rf-SQUID consisting of a superconducting ring having a Joseph ⁇ on element with an electrical resonant circuit coupled to it and formed by a superconducting microwave resonator.
  • a SQUID is a sensor for measuring magnetic flux.
  • a SQUID is coupled to a flux transformer for measuring a magnetic field, which converts a magnetic field into a flux.
  • a conventional flux transformer consists of a so-called pickup coil for field / flux conversion and a coupling coil for forwarding the flux to the SQUID.
  • Such a structure is called a SQUID magnetometer.
  • a measure of the functionality of a SQUID magnetometer is the field sensitivity.
  • an rf-SQUID magnetometer To operate an rf-SQUID magnetometer, it is generally coupled to an electrical resonant circuit, also called a tank circuit, in which a high-frequency current with the resonance frequency of the tank circuit is fed.
  • the SQUID dampens that Tank circuit, the size of the damping being dependent on the magnetic flow through the superconducting ring. This changes the voltage drop across the tank circuit, which is used to read the SQUID.
  • An LT C -RF-SQUID with an integrated microwave resonator is known from EP 04 18 848 A2.
  • the superconducting ring and the tank circuit are formed from one component.
  • the tank circuit consists of a strip line.
  • the electrical length of the stripline corresponds to half the wavelength X of the operating frequency and thus forms a ⁇ / 2 microwave resonator.
  • the strip resonator is capacitively connected to an evaluation electronics.
  • the SQUID is arranged symmetrically relative to the stripline. Furthermore, this symmetry ensures that the SQUID is thus at a point of maximum current flow, which ensures a sufficiently good coupling between the resonator and the SQUID.
  • Such a structure is according to Appl. Phys. Lett. 60 (18), p.2303, 1992 made from high temperature superconducting materials.
  • the object is achieved by an rf-SQUID in accordance with the features of claim 1.
  • the closed line can have any geometry. For example, this is realized by a ring-like or oval shape.
  • the structure can be produced from a single, high-temperature superconducting layer. SQUID ring and closed line are then formed from strip lines.
  • the closed line not only functions as a resonator but also as a pickup coil. Compared to the construction with the X / 2 resonator, this increases the collection of the magnetic flux considerably.
  • the resonance frequency that forms standing waves in the resonator is to be fed in in a known manner by means of a capacitive coupling. With an initially arbitrary length of the resonator, this can be done by searching for or setting a resonance frequency. However, if a certain frequency is to be used, the resonator must be designed so that its electrical length corresponds to one or more times the wavelength of the operating frequency. As is known, the SQUID is advantageously to be arranged at a point of maximum current flow.
  • the Josephsen element is advantageously arranged outside the closed conductor track. This is achieved I Q by two branches from the closed conductor, the ends of which are brought together so that they form the Josephson element. This further increases field sensitivity.
  • the closed line is expediently designed as a ring. In this way, the enclosed area and thus the magnetic flux collected is maximized.
  • SQUID and conductor track are advantageously produced from a YBa 2C u3 ⁇ 7 _ ⁇ layer.
  • the SQUID with integrated / - microwave resonator is shown schematically in the figures and is explained in more detail below:
  • 1 shows a schematic representation of the closed line with SQUID.
  • Fig. 3 Coupling the SQUIDS to the line (enlarged view).
  • the closed line 1 is designed as a ring.
  • the RF-SQUID 2 is coupled to this.
  • the Josephson element 5 of the SQUID 2 is integrated in the line 1.
  • Microwave resonator consists of a closed line, formed as a strip line 1 and a coupled thereto SQUID 2.
  • Her ⁇ tellungs convinced, the closed line 1 indentations.
  • the SQUID 2 is located within such an indentation.
  • Fig. 2 lengths are given in mm.
  • the resonator dimensioned in this way has a resonance frequency of 3 GHz.
  • the capacitive coupling takes place a quarter of a track away from the coupling point of the SQUID, i.e. on a straight section of the line.
  • the SQUID is thus at a point of maximum current flow.
  • FIG. 3 shows an enlarged section of the coupling point from FIG. 2. This section is marked by a circle 3 in FIG. 2.
  • Two lines 4 branch off from line 1.
  • the ends of the two branching lines 4 form a Josephson element 5.
  • the resulting ring, which has the Josephson element 5, represents the SQUID 2, the Josephson element 5 being located outside the conductor track 1.

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Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf einen RF-SQUID bestehend aus einem supraleitenden, ein Josephson-Element (5) aufweisenden Ring (2) mit einem daran angekoppelten, durch einen supraleitenden Mikrowellenresonator gebildeten, elektrischen Schwingkreis (1). Es ist Aufgabe der Erfindung, ein RF-SQUID-Magnetometer zu schaffen, das eine verbesserte Feldempfindlichkeit aufweist und aus Hoch-Temperatur-Supraleitungsmaterialien herstellbar ist. Zur Lösung wird vorgeschlagen, den Mikrowellenresonator als geschlossene, supraleitende Leitung (1) auszubilden. Dabei handelt es sich aufgrund der geschlossenen Leitung erstmals um einen μ-Resonator. Sie fungiert zudem als Pick-up-Spule. Im Vergleich zum Aufbau mit einem μ/2-Resonator wird dadurch die Sammlung des magnetischen Flusses erheblich gesteigert.

Description

B e s c h r e i b u n g
RF-SQUID mit einem integrierten \-Mikrowellen- resonator als hochempfindliches Magnetometer
Die Erfindung bezieht sich auf einen rf-SQUID, bestehend aus einem supraleitenden, ein Josephεon-Element aufweisenden Ring mit einem daran angekoppelten, durch einen supraleitenden Mikrowellenresonator gebildeten elektrischen Schwingkreis.
Ein SQUID ist ein Sensor zur Messung von magnetischem Fluß. Ein SQUID wird zwecks Messung eines magnetischen Feldes mit einem Flußtransformator gekoppelt, der ein magnetisches Feld in einen Fluß umwandelt. Ein konven¬ tioneller Flußtransformator besteht aus einer sogenann¬ ten Pickup-Spule zur Feld/Fluß-Umwandlung und einer Einkoppelspule zur Weiterleitung des Flusses an den SQUID. Ein solcher Aufbau wird SQUID-Magnetometer genannt.
Ein Maß für die Funktionstüchtigkeit eines SQUID- Magnetometers ist die Feldempfindlichkeit.
Zum Betrieb eines rf-SQUID-Magnetometers wird dieser im allgemeinen an einen elektrischen Schwingkreis, auch Tankkreis genannt, angekoppelt, in welchem wiederum ein Hochfrequenzström mit der Resonanzfrequenz des Tank¬ kreises eingespeist wird. Der SQUID bedämpft den Tankkreis, wobei die Größe der Bedämpfung vom magne¬ tischen Fluß durch den supraleitenden Ring abhängig ist. Dadurch ändert sich der Spannungsabfall über dem Tank- kreiε, was zum Auslesen des SQUID verwendet wird.
Aus EP 04 18 848 A2 ist ein LTC-RF-SQUID mit einem inte¬ grierten Mikrowellenresonator bekannt. Hier wird der supraleitende Ring sowie der Tankkreis aus einem Bauteil gebildet. Der Tankkreis besteht aus einer Streifen¬ leitung. Die elektrische Länge der Streifenleitung entspricht der halben Wellenlänge Xder Betriebsfrequenz und bildet so einen Λ/2-Mikrowellenresonator. Der Streifenresonator ist kapazitiv mit einer Auswerte¬ elektronik verbunden.
Um die Resonatoreigenschaften sicherzustellen, ist der SQUID relativ zur Streifenleitung symmetrisch angeordnet. Des weiteren ist durch diese Symmetrie gewährleistet, daß sich der SQUID damit an einer Stelle maximalen Strom- flusses befindet, wodurch eine ausreichend gute Ankopp- lung zwischen Resonator und SQUID sichergestellt ist.
Ein solcher Aufbau wird gemäß Appl. Phys. Lett. 60(18), p.2303, 1992 aus HochtemperaturSupraleitungsmaterialien hergestellt.
Es ist Aufgabe der Erfindung, ein rf-SQUID-Magneto eter zu schaffen, das eine verbesserte Feldempfindlichkeit aufweist und aus Hoch-temperatursupraleitungsmaterialien herstellbar ist. Die Aufgabe wird durch ein rf-SQUID gemäß den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Die geschlossene Leitung kann jede beliebige Geometrie aufweisen. Beispielsweise wird diese durch eine ringartige oder ovale Form realisiert. Der Aufbau ist aus einer einzigen, hochtemperatursupra¬ leitenden Schicht herstellbar. SQUID-Ring und geschlos¬ sene Leitung sind dann aus Streifenleitungen gebildet.
Aufgrund der geschlossenen Leitung handelt es sich erstmals um einen λ- statt um einen A/2-Resonator. Ein solcher wurde bisher insbesondere deshalb nicht einge¬ setzt, da es bei der dann erforderlichen geschlossenen Leitung nicht möglich ist, die vermeintlich notwendige, symmetrische Ankopplung des SQUIDs an den Resonator zu bewerkstelligen.
Die geschlossene Leitung fungiert jedoch nicht nur als Resonator sondern auch als Pickup-Spule. Im Vergleich zum Aufbau mit dem X /2-Resonator wird dadurch die Sammlung des magnetischen Flusses erheblich gesteigert.
Für den Betrieb des SQUIDs ist in bekannter Weise mittels einer kapazitiven Ankopplung die Resonanzfrequenz einzuspeisen, die im Resonator stehende Wellen bildet. Dies kann - bei zunächst beliebiger Länge des Reso¬ nators - durch Aufsuchen bzw. Einstellen einer Resonanz¬ frequenz geschehen. Soll jedoch mit einer bestimmten Frequenz gearbeitet werden, so ist der Resonator so auszulegen, daß seine elektrische Länge dem einen oder mehrfachen der Wellenlänge der Betriebsfreqenz ent¬ spricht. Der SQUID ist bekanntermaßen vorteilhaft an einer Stelle maximalen Stromflusses anzuordnen. Durch die Integration der Pickup-Spule wird die optimale Betriebsbedingung TU • Q^ 1 (K: Kopplung, Q: Güte des Resonators) noch erreicht, obwohl die Kopplung zwischen Resonator und SQUID aufgrund der Asymmetrie verschlech- 5 tert wird. Insgesamt liegt eine erheblich gesteigerte Feldempfindlichkeit des SQUID-Magnetometers vor.
Vorteilhaft ist das Josephsen-Element außerhalb der geschlossenen Leiterbahn angeordnet. Erreicht wird dies I Q durch zwei Abzweigungen von der geschlossenen Leiterbahn, deren Enden so zusammengeführt sind, daß diese das Josephson-Element bilden. Die Feldempfindlichkeit wird dadurch weiter gesteigert.
15 Zweckmäßigerweise ist die geschlossene Leitung als Ring ausgebildet. Auf diese Weise wird die eingeschlossene Fläche und damit der gesammelte magnetische Fluß maximiert.
20 Vorteilhaft wird SQUID und Leiterbahn aus einer YBa2Cu3θ7_χ-Schicht hergestellt.
In den Abbildungen wird der SQUID mit integriertem /- Mikrowellenresonator schematisch dargestellt und im 25 folgenden näher erläutert:
Es zeigt Fig. 1: schematische Darstellung der geschlos¬ senen Leitung mit SQUID.
Fig. 2: aus einer Schicht hergestellte geschlossene 30 Leitung mit angekoppeltem SQUID
Fig. 3: Ankopplung des SQUIDS an die Leitung (vergrößerte Darstellung) . In Fig. 1 ist die geschlossene Leitung 1 als Ring ausgestaltet. Hieran ist der RF-SQUID 2 angekoppelt. Das Josephson-Element 5 des SQUIDs 2 ist in die Leitung 1 integriert.
Der in Fig. 2 dargestellte SQUID mit integriertem /\- Mikrowellenresonator besteht aus einer geschlossenen Leitung, ausgebildet als Streifenleitung 1, sowie einem daran angekoppelten SQUID 2. Herεtellungsbedingt weist die geschlossene Leitung 1 Einbuchtungen auf. Innerhalb einer solchen Einbuchtung befindet sich der SQUID 2.
In Fig. 2 sind Längen in mm angegeben. Der so dimensio¬ nierte Resonator weist eine Resonanzfrequenz von 3 GHz auf.
Die kapazitive Ankopplung erfolgt eine viertel Leiterbahn entfernt von der Ankoppelstelle des SQUIDs, also an einem geraden Stück der Leitung. Damit befindet sich der SQUID an einer Stelle maximalen Stromflusses.
Fig. 3 stellt einen vergrößerten Ausschnitt der Ankopp- lungsstelle aus Fig. 2 dar. Dieser Ausschnitt ist in Fig. 2 durch einen Kreis 3 markiert.
Von der Leitung 1 zweigen zwei Leitungen 4 ab. Die Enden der beiden abzweigenden Leitungen 4 bilden ein Josephson- element 5. Der so entstandene, das Josephson-Element 5 aufweisende Ring stellt den SQUID 2 dar, wobei sich das Josephson-Element 5 außerhalb der Leiterbahn 1 befindet.
Es hat sich gezeigt, daß das in Figur 2 dargestellte, aus YBa2Cu3θ7_χ hergestellte SQUID-Magnetometer viermal empfindlicher ist als ein optimiertes A/2-Mikrowellen- SQUID-Magnetometer. Durch geometrische Änderungen kann das Magnetometer verbessert und so die Feldempfindlichkeit weiter gesteigert werden.

Claims

P a t e n t a n s p r ü c h e
1. Rf-SQUID (2), bestehend aus einem supraleitenden, ein Josephson-Element (5) aufweisenden Ring mit einem daran angekoppelten, durch einen supraleitenden Mikrowellenresonator gebildeten elektrischen Schwingkreis d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß der Mikrowellenresonator als geschlossene, supraleitende Leitung (1) ausgebildet ist.
2. Rf-SQUID nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß das Josephson-Element (5) außerhalb der geschlossenen Leitung (1) angeordnet ist.
3. Rf-SQUID nach Anspruch 1 oder 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die geschlossene Leitung (1) als Ring ausgestaltet ist.
4. Rf-SQUID nach Anspruch 1, 2 oder 3, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß SQUID (2) und Leitung (1) aus einer yBapCu O-7_χ-Schicht hergestellt sind.
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