WO2019057243A1 - Device for determining small magnetic fields using at least one squid sensor - Google Patents

Device for determining small magnetic fields using at least one squid sensor Download PDF

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WO2019057243A1
WO2019057243A1 PCT/DE2018/100784 DE2018100784W WO2019057243A1 WO 2019057243 A1 WO2019057243 A1 WO 2019057243A1 DE 2018100784 W DE2018100784 W DE 2018100784W WO 2019057243 A1 WO2019057243 A1 WO 2019057243A1
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WO
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drive
cryostat
sample chamber
sample
squid sensor
Prior art date
Application number
PCT/DE2018/100784
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Inventor
Michael Paulsen
Klaus Kiefer
Dennis MEIER
Michael Fechner
Bastian KLEMKE
Martin PETSCHE
Harry LUCHT
Original Assignee
Helmholtz-Zentrum Berlin Für Materialien Und Energie Gmbh
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    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01RMEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R33/00Arrangements or instruments for measuring magnetic variables
    • G01R33/0047Housings or packaging of magnetic sensors ; Holders
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01RMEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R33/00Arrangements or instruments for measuring magnetic variables
    • G01R33/02Measuring direction or magnitude of magnetic fields or magnetic flux
    • G01R33/035Measuring direction or magnitude of magnetic fields or magnetic flux using superconductive devices

Definitions

  • Magnetic fields with SQUID sensors (Superconducting Quantum Interference Device, SQUID, superconducting quantum interference detector) used e.g. for the determination of magnetic material properties.
  • SQUID sensors Superconducting Quantum Interference Device, SQUID, superconducting quantum interference detector
  • SQUID sensors are used i.a. used to determine small magnetic fields caused by magnetic properties of a sample.
  • Material properties used is ⁇ 10 "10 T at a distance from the sample that is less than 1 mm apart.
  • EP 0 584 866 B1 discloses a shielded SQUID magnetometer.
  • EP 0 503 108 B1 discloses a superconductive shielding element for a connection conductor of a SQUID sensor.
  • electromagnetic interference fields are also particularly affected by the devices surrounding the SQUID sensor, e.g. Sample chambers, cryostats, electrical control units and experimenters, in the form of biomagnetic fields, caused.
  • the object of the invention is to specify a device for determining small magnetic fields with at least one SQUID sensor in which interference fields are minimized and which is inexpensive and easy to manufacture.
  • DC direct current
  • SQUID sensor includes a flux control loop, a so-called FLL (Frequency Locked Loop) electronics.
  • the SQUID sensor is coupled to a superconducting detection coil to detect magnetic flux changes resulting from sample movements.
  • the sensors and FLL electronics are prior art magnetic
  • Sample chamber for receiving a sample to be measured are arranged in a cryostat.
  • the SQUID sensor is arranged at the sample location in the sample chamber. Cables for controlling and reading the SQUID sensor are inserted and installed in the cryostats with guides shielded with stainless steel (to shield high-frequency electromagnetic signals such as radio waves).
  • the cryostat can, depending on the used SQUID sensor or
  • Detection coil material ie, the superconductor used in each case Helium or a nitrogen cryostat.
  • the cryostat is made of non-magnetic materials.
  • Non-magnetic materials in the context of the invention are those which have a magnetic remanence and
  • the sample is rotatable via a sample holder from outside the cryostat via a drive.
  • a position of rotation of the sample holder is made with an optical encoder associated with the rotation of the sample holder.
  • the cryostat is placed in an environment shielded by external magnetic fields, a shielding chamber.
  • a shielding chamber This can be realized for example by a shielded, walk-in room or from a shield which includes only the cryostat and the structure may be formed.
  • the shield should at least be sufficient to attenuate or reduce the earth's magnetic field to at least one thousandth of its value Background field of at least ⁇ 10 ⁇ 7T in the shielding chamber too
  • the apparatus for determining small magnetic fields is optimized in that the core for the superconducting detection coil, the portion of the cryostat in which the sample chamber is housed and the sample chamber in the form of a tube of non-magnetic materials (eg PEEK, nylon or demagnetized materials ) are made.
  • the sample chamber is advantageously made of a plastic and the sample rod made of glass fiber.
  • the signal provided by the SQUID sensor is ultimately fed to electronic data processing located outside the shielding chamber.
  • the drive for the rotation of the sample rod is made of non-magnetic materials and corresponds to one of the group comprising the spring drive, weight drive, hydrodynamic drive, pneumatic drive and thermodynamic drive.
  • the drive corresponds to a weight drive, such as that found in pendulum clocks, wherein a weight compensates for the friction loss of the pendulum.
  • the weight as well as the pendulum itself derive the energy, which causes an advancement by the movement of the pendulum, from the gravitational force.
  • the pendulum movement is the actual drive for a signal box (clockwork), the pendulum movement in a rotary or
  • both a weight drive can be used with or without a pendulum, whereby the version with pendulum is to be preferred.
  • the entire drive with weight, pendulum and interlocking is according to the invention of non-magnetic materials such as preferably plastic but also for example made of wood.
  • Pendulum characteristics (such as length, shape, weight, mounting of the axis of rotation) and the translation in the interlocking extremely precise and vibration-less feasible.
  • the reduction of vibration, magnetic background increases the precision of measurements with SQUID sensors.
  • a pneumatic drive using compressed air as an energy source is realized via pneumatic cylinders, corresponding to a piston engine, as it corresponds to a further embodiment.
  • the up and down movement or rotational movement of the piston is thereby converted into a rotational or linear movement.
  • the entire drive is also according to the invention here
  • non-magnetic materials such as preferably plastic but also e.g. made of wood or ceramic.
  • the drives can be made particularly advantageous with the 3D printing technology and thus adapt to all conditions.
  • thermodynamic drive as z. B. is given in a Stirling engine.
  • the cold or warm sources are to be arranged outside the shielding chamber.
  • the drives get along in particular without the use of electrical energy or fuels, the interference fields in the device for determining small metallic fields are advantageously greatly reduced.
  • the remaining embodiments of the optical position decoding and choice of materials for the cryostat and the sample environment further advantageously reduce the influence of noise fields on the highly sensitive SQUID sensors and the samples to be measured.
  • B. comes in conventional SQUID systems solely by the materials used or the earth's magnetic field, among other things, may lead to corrupted signals in certain antiferromagnetic samples.
  • the proposed design allows the measurement of magnetic material classes, in particular a direct measurement of the magnetic far fields of antiferromagnets, which could not be developed previously.
  • Fig. 1 Overview of a device according to the invention for the determination of small magnetic fields.
  • Fig. 2 drive with gravity as an energy source.
  • Fig. 3 drive with compressed air as an energy source.
  • FIG. 1 shows an overview of the structure of a device according to the invention for determining small magnetic fields, as well as a few other components.
  • a SQUID sensor 1 with superconducting Detection coil 2 is arranged in the lower part 3 of a cryostat 4, in which the sample chamber 5 is located.
  • the lower part of the cryostat 3 is equipped with a shield 6.
  • the cryostat 4 has a closure 7 in which a filler neck 8 for cryogenic gases (helium, nitrogen) is integrated.
  • the sample holder 15 is located in a tube 16 which is connected to the lower part 3 of the cryostat 4 and via a
  • Helium seal 19 features.
  • the sample holder 15 is rotated by a drive 9, which is fed with a physical energy source.
  • a coding disc 10 is arranged on the optically with an optical encoder 1 1 an angle-dependent position of the
  • Sample holder 15 can be determined.
  • For the function of the optical encoder 1 1 light is conducted with a fiber optic cable 12 in and out of the shielding chamber 17.
  • For signal stabilization of the SQUID sensor 1 FLL electronics 13 is used.
  • the signals of the SQUID sensor can be processed outside the chamber 17 with a data processing system 18.
  • the light signals from the optical encoder 1 1 can also be detected outside the chamber with a light sensor 14.
  • a drive with gravity as an energy source is shown.
  • the embodiment shown utilizes a weight A and a pendulum B.
  • the weight A is moved by gravity downwards, whereby an axis C is set in rotation, which is transmitted to the pendulum B with gears D.
  • the pendulum movement in turn is transmitted through a signal box on the sample holder 15 (not shown here), so that this along its
  • Muscle power can be fed back to potential energy. Instead of
  • crank E with muscle power other drives are conceivable here, provided that they are arranged outside the shielding chamber 17, such as electric motors.
  • a drive with compressed air as an energy source in the embodiment is shown as a piston machine with pneumatic cylinders i. Compressed air is supplied via the openings ii to the cylinders i, whereby, through the decompression, the pistons iii are moved downwards and this movement is converted on a crankshaft iv into a rotational movement which sets an axis v in rotation. This rotation is then transmitted through an interlocking to the sample holder 15 (not shown here) so that it rotates along its longitudinal axis.
  • the drive 9 corresponds to a drive with
  • the drive is completely composed of plastic parts for building block plug-model, as they are known as children's toys, composed.
  • the weight A is formed from a PET bottle filled with water. The weight can be adjusted very precisely by the degree of filling with water.
  • the SQUID sensor 1 is a microsystem-based, single-stage, DC-SQUID (direct current) current amplifier, which is known in the art or available as a commercial product.
  • the structure of the device according to the invention in the embodiment is made individually and corresponds to that shown in FIG.
  • the SQUID sensor 1 is surrounded by a small niobium-brass shield and connected to the FLL electronics 13.
  • the cryostat 4 is realized by a Dewar.
  • Sample chamber 5 in the form of a tube made of plastic.
  • a guide for the sample holder 15 is provided on one side with a helium seal 19 and connected on the other side with the sample chamber 5 and thereby formed from a double-walled steel tube 16, in which the cables are guided from and to the SQUID sensor 1 ,
  • the superconducting Detection coil 2 is located in an embedding means of PEEK
  • the sample holder 15 is formed of glass fiber.
  • the area around the sample chamber 5 in the cryostat 4 is provided with a superconducting lead shield 6.
  • the shielding chamber 17 is a passive shielded space, BMSR-1
  • the encoder disk is a black and white printed film that has been laminated.
  • the fiber optics and lenses are commercially available products.
  • Synchrotron radiation can be characterized.
  • Device according to the invention is better than 10 ⁇ 13 T at a distance of 1 mm from the sample, ie several orders of magnitude more accurate than conventional. The particular suitability of the device for the determination of small magnetic fields is thus demonstrated.

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Abstract

The invention relates to a device for determining small magnetic fields using a SQUID sensor. The device comprises at least one SQUID sensor (1) having a superconducting detection coil (2) and a flow control loop (13), and a cryostat (4) having a sample chamber (5). A section of the cryostat (3), in which the sample chamber is accommodated, is provided with a shielding (6). The sample chamber (5) can be rotated by means of a drive (9) from outside the cryostat (4) via a sample holder (15). A position of the rotation can be determined by means of an optical encoder (11). The cryostat (4) is arranged in a shielding chamber (17). According to the invention, the drive (9) is a drive from a group consisting of a spring drive, a weight drive, a hydrodynamic drive, a pneumatic drive and a thermodynamic drive and is made from non-magnetic materials. The embedding for the superconducting detection coil (2), the section (3) of the cryostat (4), in which the sample chamber (5) is accommodated, and the sample chamber (5) are produced from non-magnetic materials. The shielding (6) of the part of the cryostat (3), in which the sample chamber (5) is accommodated, is produced from superconducting lead and the optical encoder (11) is equipped with a light source made of a glass fiber cable (12).

Description

Bezeichnung  designation
Vorrichtung zur Bestimmung kleiner Magnetfelder mit mindestens einem SQUID-Sensor Device for determining small magnetic fields with at least one SQUID sensor
Technisches Gebiet Technical area
Die vorliegende Erfindung betrifft das Gebiet der Bestimmung von The present invention relates to the field of determination of
Magnetfeldern mit SQUID- Sensoren (engl. Superconducting QUantum Interference Device, SQUID, dt. Supraleitender Quanteninterferenz-Detektor), eingesetzt z.B. zur Bestimmung magnetischer Materialeigenschaften. Magnetic fields with SQUID sensors (Superconducting Quantum Interference Device, SQUID, superconducting quantum interference detector) used e.g. for the determination of magnetic material properties.
Stand der Technik State of the art
Vorrichtungen zur Bestimmung von Magnetfeldern unter Nutzung von SQUID- Sensoren sind dem Fachmann bekannt. Devices for the determination of magnetic fields using SQUID sensors are known in the art.
SQUID-Sensoren werden u.a. zur Bestimmung kleiner Magnetfelder, hervorgerufen durch magnetische Eigenschaften einer Probe, eingesetzt. Die Ansprechschwelle kommerziell erhältlicher Messsysteme die SQUID- Sensoren nutzen und die für die Untersuchung von magnetischen SQUID sensors are used i.a. used to determine small magnetic fields caused by magnetic properties of a sample. The threshold of commercially available measuring systems using the SQUID sensors and those for the investigation of magnetic
Materialeigenschaften eingesetzt werden, liegt dabei bei ~10"10 T in einer Entfernung von der Probe, die weniger als 1 mm Abstand beträgt. Material properties used is ~ 10 "10 T at a distance from the sample that is less than 1 mm apart.
In einigen Anwendungsfällen ist es zur Materialcharakterisierung notwendig Magnetfelder zu bestimmen, die kleiner sind als die oben angesprochen ~10"10 T (kleine Magnetfelder). Dies ist z.B. zur Bestimmung der externen Nettomagnetisierung von Antiferromagneten der Fall. Materialien dieser Art sind z.B. insbesondere für Bauelemente der sogenannten Spintronik interessant. Eine Schwierigkeit, die generell bei der Messung kleiner magnetischer Felder auftritt, ist der Einfluss von elektromagnetischen Störfeldern. So wird z.B. in der DE 43 35 486 A 1 vorgeschlagen einen SQUID-Sensor in einer In some applications it is necessary to determine magnetic fields smaller than those mentioned above ~ 10 "10 T (small magnetic fields), eg for the determination of the external net magnetization of antiferromagnets Materials of this kind are eg for components the so-called spintronics interesting. One difficulty that generally arises when measuring small magnetic fields is the influence of electromagnetic interference fields. For example, DE 43 35 486 A1 proposes a SQUID sensor in one
Abschirmkammer mit Kompensationsfeldern zu betreiben. In der To operate shielding chamber with compensation fields. In the
EP 0 584 866 B1 wird ein SQUID-Magnetometer mit Abschirmhülle offenbart. Die EP 0 503 108 B1 offenbart ein supraleitendes Abschirmelement für einen Verbindungsleiter eines SQUID-Sensors. EP 0 584 866 B1 discloses a shielded SQUID magnetometer. EP 0 503 108 B1 discloses a superconductive shielding element for a connection conductor of a SQUID sensor.
Elektromagnetische Störfelder werden aber insbesondere auch durch die den SQUID-Sensor umgebenden Einrichtungen, wie z.B. Probenkammern, Kryostaten, elektrische Steuereinheiten und Experimentatoren, in Form von Biomagnetfeldern, hervorgerufen. However, electromagnetic interference fields are also particularly affected by the devices surrounding the SQUID sensor, e.g. Sample chambers, cryostats, electrical control units and experimenters, in the form of biomagnetic fields, caused.
In dem Aufsatz 1 von D.N. Astrov und B.N. Ermakov (Quadrupole magnetic field of magnetoelectric Cr203, JETP Letters, Vol. 59(4), 1994, S. 297-300) und dem Aufsatz 2 von D. N. Astrov et. AI (External Quadrupole Magnetic Field of Antiferromagnetic Cr203, JETP Lett. 63(9), 1996, S. 745-751 ) sind Experimente beschrieben, in denen sehr kleine Magnetfelder, die durch ein Quadrupolfeld eines antiferromagnetischen Materials gegeben sind, bestimmt werden. Die experimentelle Umsetzung der Experimente ist in Bezug auf Messprinzip und grundlegender Apparatur offenbart. Die quantitative Angabe der magnetischen Abschirmung und insbesondere die Probenbewegung ist nicht offenbart. Herkömmliche, elektrisch-mechanische Schrittmotoren und Piezoantriebe erzeugen magnetische Signale, die höchstauflösende SQUID- Messungen negativ beeinflussen. Wie die Autoren diese Schwierigkeit überwunden haben ist nicht erwähnt. Aufgabenstellung In essay 1 of DN Astrov and BN Ermakov (Quadrupole magnetic field of magnetoelectric Cr203, JETP Letters, Vol. 59 (4), 1994, pp 297-300) and the essay 2 of DN Astrov et. AI (External Quadrupole Magnetic Field of Antiferromagnetic Cr203, JETP Lett. 63 (9), 1996, pp. 745-751) describes experiments in which very small magnetic fields given by a quadrupole field of an antiferromagnetic material are determined. The experimental implementation of the experiments is disclosed in terms of measuring principle and basic apparatus. The quantitative indication of the magnetic shielding and in particular the sample movement is not disclosed. Conventional electro-mechanical stepper motors and piezo drives generate magnetic signals that negatively impact high-resolution SQUID measurements. How the authors have overcome this difficulty is not mentioned. task
Die Aufgabe der Erfindung ist es eine Vorrichtung zur Bestimmung kleiner Magnetfelder mit mindestens einem SQUID-Sensor anzugeben, in der Störfelder minimiert sind und die dabei kostengünstig und einfach in der Herstellung ist. The object of the invention is to specify a device for determining small magnetic fields with at least one SQUID sensor in which interference fields are minimized and which is inexpensive and easy to manufacture.
Die Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs eins gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindungen sind Gegenstand der Unteransprüche. The object is solved by the features of claim one. Advantageous embodiments of the invention are the subject of the dependent claims.
Der in der erfindungsgemäßen Vorrichtung verwendete mindestens eine SQUID-Sensor entspricht einem auf Mikrosystemtechniken basierten DC- SQUID (DC=direct current) Strom- bzw. Messverstärker. Zu einem solchen SQUID-Sensor gehört eine Flussregelschleife, eine sogenannte FLL- (engl. Frequency Locked-Loop, dt. frequenzverriegelte Schleife) Elektronik. The at least one SQUID sensor used in the device according to the invention corresponds to a DC-SQUID (DC = direct current) current or measurement amplifier based on microsystem techniques. Such a SQUID sensor includes a flux control loop, a so-called FLL (Frequency Locked Loop) electronics.
Zusätzlich ist der SQUID-Sensor an eine supraleitende Detektionsspule gekoppelt, um magnetische Flussänderungen, die durch Probenbewegungen zustande kommen, zu detektieren. Die Sensoren und die FLL-Elektronik entsprechen dem Stand der Technik hinsichtlich magnetischer In addition, the SQUID sensor is coupled to a superconducting detection coil to detect magnetic flux changes resulting from sample movements. The sensors and FLL electronics are prior art magnetic
Höchstauflösung, in einer Größenordnung von ~ 2,2 μΑ/0ο und besser und magnetischem Rauschverhalten, in einer Größenordnung von ~ 1 0o/VHz und besser. Maximum resolution, on the order of ~ 2.2 μΑ / 0ο and better and magnetic noise behavior, on the order of ~ 10o / VHz and better.
Der SQUID-Sensor mit der supraleitenden Detektionsspule und eine The SQUID sensor with the superconducting detection coil and a
Probenkammer zur Aufnahme einer zu messenden Probe sind in einem Kryostaten angeordnet. Der SQUID-Sensor ist dabei an dem Probenort in der Probenkammer angeordnet. Kabel zur Ansteuerung und zum Auslesen des SQUID-Sensors sind durch mit Edelstahl geschirmten Führungen (um hochfrequente elektromagnetische Signale wie z. B. Radiowellen zu schirmen) in den Kryostaten ein- und ausgeführt. Der Kryostat kann in Abhängigkeit des verwendeten SQUID-Sensors bzw. Sample chamber for receiving a sample to be measured are arranged in a cryostat. The SQUID sensor is arranged at the sample location in the sample chamber. Cables for controlling and reading the SQUID sensor are inserted and installed in the cryostats with guides shielded with stainless steel (to shield high-frequency electromagnetic signals such as radio waves). The cryostat can, depending on the used SQUID sensor or
Detektionsspulenmaterials, d.h. der jeweils verwendete Supraleiter, ein Helium- oder ein Stickstoffkryostat sein. Erfindungsgemäß ist der Kryostat aus nichtmagnetischen Materialien gefertigt. Nichtmagnetische Materialien im Sinne der Erfindung sind solche, die eine magnetische Remanenz und Detection coil material, ie, the superconductor used in each case Helium or a nitrogen cryostat. According to the invention, the cryostat is made of non-magnetic materials. Non-magnetic materials in the context of the invention are those which have a magnetic remanence and
Suszeptibilität in der Größenordnung von der des Materials PEEK Susceptibility on the order of the material PEEK
(PolyEtherEtherKaton), d.h. < 9.2*107 emu bzw. 1 *10-7 emu/g, aufweisen. Materialien, die dieses Kriterium erfüllen, können z.B. dem Aufsatz 3 von J.C. Mester und J.M. Lockhart (Remanent Magnetization of Instrument Materials for Low Magnetic Field Applications, Czechoslovak Journal of Physics, Vol. 46, Suppl. S5, 1996, S. 2751 - 2752) entnommen werden. Der Bereich der Probenkammer im Kryostaten ist mit einer supraleitenden (PolyEtherEtherKaton), ie <9.2 * 10 7 emu or 1 * 10 -7 emu / g. Materials which fulfill this criterion can be found eg in the article 3 by JC Mester and JM Lockhart (Remanent Magnetization of Instrument Materials for Low Magnetic Field Applications, Czechoslovak Journal of Physics, Vol. 46, Suppl. S5, 1996, pp. 2751-2752 ). The area of the sample chamber in the cryostat is superconducting with a
Bleiabschirmung versehen, welche, bevor die FLL-Elektronik eingeschaltet wird, zu Temperaturen unterhalb der kritischen Temperatur von Blei abgekühlt wird. Somit wird das von der FLL-Elektronik erzeugte Magnetfeld nicht mit eingefroren, sondern nur das sehr schwache Hintergrundfeld der magnetisch geschirmten Umgebung. Danach schützt die supraleitende Bleischirmung die Probe vor zusätzlicher, äußerer Magnetisierung z. B. durch die FLL- Elektronik, wenn diese angeschaltet wird. Eine weitere Aufgabe der supraleitenden Bleischirmung ist, die supraleitende Detektionsspule vor magnetischem Rauschen, das selbst in magnetischen geschirmten Lead shield, which is cooled to temperatures below the critical temperature of lead before the FLL electronics is turned on. Thus, the magnetic field generated by the FLL electronics is not frozen, but only the very weak background field of the magnetically shielded environment. Thereafter, the superconducting Bleeschirmung protects the sample from additional, external magnetization z. B. by the FLL electronics when it is turned on. Another object of superconducting lead shielding is to prevent the superconducting detection coil from magnetic noise, even in magnetic shielded ones
Umgebungen vorhanden ist, zu schützen. Environments exists to protect.
Die Probe ist über einen Probenhalter von außerhalb des Kryostaten über einen Antrieb drehbar. Eine Position der Drehung des Probenhalters erfolgt mit einem optischen Encoder, der mit der Rotation des Probenhalters verknüpft ist. The sample is rotatable via a sample holder from outside the cryostat via a drive. A position of rotation of the sample holder is made with an optical encoder associated with the rotation of the sample holder.
Der Kryostat ist in einer, von externen Magnetfeldern geschirmten, Umgebung angeordnet, einer Abschirmkammer. Diese kann dabei z.B. durch einen geschirmten, begehbaren Raum realisiert werden oder aus einer Schirmung die lediglich den Kryostaten und den Aufbau beinhaltet gebildet sein. Die Abschirmung sollte dabei mindestens genügen, das Erdmagnetfeld auf mindestens ein Tausendstel seines Wertes abzuschwächen bzw. ein Hintergrundfeld von mindestens ~10~7 T in der Abschirmkammer zu The cryostat is placed in an environment shielded by external magnetic fields, a shielding chamber. This can be realized for example by a shielded, walk-in room or from a shield which includes only the cryostat and the structure may be formed. The shield should at least be sufficient to attenuate or reduce the earth's magnetic field to at least one thousandth of its value Background field of at least ~ 10 ~ 7T in the shielding chamber too
ermöglichen. enable.
Erfindungsgemäß ist die Vorrichtung zur Bestimmung kleiner Magnetfelder dadurch optimiert, dass der Kern für die supraleitende Detektionsspule, der Abschnitt des Kryostaten in dem die Probenkammer untergebracht ist und die Probenkammer in Form eines Röhrchens aus nichtmagnetischen Materialien (z. B. PEEK, Nylon oder demagnetisierte Materialien) gefertigt sind. Die Probenkammer ist in vorteilhafter Weise aus einem Kunststoff gefertigt und der Probenstab aus Glasfaser. According to the invention, the apparatus for determining small magnetic fields is optimized in that the core for the superconducting detection coil, the portion of the cryostat in which the sample chamber is housed and the sample chamber in the form of a tube of non-magnetic materials (eg PEEK, nylon or demagnetized materials ) are made. The sample chamber is advantageously made of a plastic and the sample rod made of glass fiber.
Das von dem SQUID-Sensor gelieferte Signal ist letztlich einer elektronischen Datenverarbeitung zugeführt, die sich außerhalb der Abschirmkammer befindet. The signal provided by the SQUID sensor is ultimately fed to electronic data processing located outside the shielding chamber.
Licht für den optischen Encoder wird mit Glasfaserkabeln in die geschirmte Experimentumgebung eingeleitet und zur Signalverarbeitung auch wieder ausgeleitet. Somit erzeugt die Positionsbestimmung keine elektrischen Light for the optical encoder is introduced with fiber optic cables into the shielded experiment environment and also discharged again for signal processing. Thus, the position determination generates no electrical
Signale in der Experimentumgebung. Signals in the experiment environment.
Erfindungsgemäß wird der Antrieb für die Drehung des Probenstabs aus nichtmagnetischen Materialien gefertigt und entspricht dabei einem aus der Gruppe, die Federantrieb, Gewichtsantrieb, hydrodynamischer Antrieb, pneumatischer Antrieb und thermodynamischer Antrieb umfasst. According to the invention, the drive for the rotation of the sample rod is made of non-magnetic materials and corresponds to one of the group comprising the spring drive, weight drive, hydrodynamic drive, pneumatic drive and thermodynamic drive.
In einer Ausführungsform entspricht der Antrieb einem Gewichtsantrieb, wie er in Pendeluhren gegeben ist, wobei ein Gewicht den Reibungsverlust des Pendels ausgleicht. Das Gewicht sowohl als auch das Pendel selber beziehen die Energie, die einen Vorschub durch die Bewegung des Pendels bewirkt, aus der Schwerkraft. Die Pendelbewegung ist dabei der eigentliche Antrieb für ein Stellwerk (Uhrwerk), das die Pendelbewegung in eine Dreh- oder In one embodiment, the drive corresponds to a weight drive, such as that found in pendulum clocks, wherein a weight compensates for the friction loss of the pendulum. The weight as well as the pendulum itself derive the energy, which causes an advancement by the movement of the pendulum, from the gravitational force. The pendulum movement is the actual drive for a signal box (clockwork), the pendulum movement in a rotary or
Linearbewegung umsetzt. Erfindungsgemäß ist sowohl ein Gewichtsantrieb mit als auch ohne Pendel einsetzbar, wobei die Ausführung mit Pendel zu bevorzugen ist. Der gesamte Antrieb mit Gewicht, Pendel und Stellwerk ist dabei erfindungsgemäß aus nichtmagnetischen Materialien wie bevorzugt Kunststoff aber auch z.B. aus Holz gefertigt. Ein Antrieb, der eine Linear motion converts. According to the invention, both a weight drive can be used with or without a pendulum, whereby the version with pendulum is to be preferred. The entire drive with weight, pendulum and interlocking is according to the invention of non-magnetic materials such as preferably plastic but also for example made of wood. A drive that a
Pendelbewegung nutzt, ist über eine Optimierung von Gewicht, Using pendulum motion is about optimizing weight,
Pendelcharakteristik (wie Länge, Form, Gewicht, Lagerung der Drehachse) und der Übersetzung im Stellwerk äußerst präzise und dabei Vibrationsarm realisierbar. Die Verringerung von Vibrationen, magnetischem Hintergrund erhöht die Präzision von Messungen mit SQUID-Sensoren. Pendulum characteristics (such as length, shape, weight, mounting of the axis of rotation) and the translation in the interlocking extremely precise and vibration-less feasible. The reduction of vibration, magnetic background increases the precision of measurements with SQUID sensors.
Ähnlich dem Antrieb, wie er einer Pendeluhr entspricht, ist auch ein weiterer Antrieb, der insbesondere aus der Uhrentechnik bekannt ist, der Federantrieb, erfindungsgemäß nutzbar. Similar to the drive, as it corresponds to a pendulum clock, is also another drive, which is known in particular from the watch technology, the spring drive, according to the invention usable.
Ein pneumatischer Antrieb der Druckluft als Energiequelle nutzt, wird über Pneumatikzylinder realisiert, entsprechend einer Kolbenmaschine, wie es einer weiteren Ausführungsform entspricht. Die Auf- und Abbewegung bzw. Drehbewegung der Kolben wird dabei in eine Dreh- oder Linearbewegung umgesetzt. Der gesamte Antrieb ist auch hier erfindungsgemäß aus A pneumatic drive using compressed air as an energy source is realized via pneumatic cylinders, corresponding to a piston engine, as it corresponds to a further embodiment. The up and down movement or rotational movement of the piston is thereby converted into a rotational or linear movement. The entire drive is also according to the invention here
nichtmagnetischen Materialien, wie bevorzugt Kunststoff aber auch z.B. aus Holz oder Keramik gefertigt. non-magnetic materials, such as preferably plastic but also e.g. made of wood or ceramic.
Entsprechend dem pneumatischen Antrieb ist auch ein hydrodynamischer Antrieb einsetzbar. According to the pneumatic drive and a hydrodynamic drive can be used.
Die Antriebe lassen sich insbesondere vorteilhaft mit der 3D-Drucktechnik anfertigen und so allen Bedingungen anpassen. The drives can be made particularly advantageous with the 3D printing technology and thus adapt to all conditions.
Ein weiterer erfindungsgemäßer Antrieb ist ein thermodynamischer Antrieb, wie er z. B. in einem Stirlingmotor gegeben ist. Die Kalt- bzw. Warmquellen sind dabei außerhalb der Abschirmkammer anzuordnen. Insbesondere durch die erfindungsgemäße Ausführung des Antriebs aus nichtmagnetischen Materialien, wobei die Antriebe insbesondere ohne den Einsatz von elektrischer Energie oder Kraftstoffen auskommen, sind die Störfelder in der Vorrichtung zur Bestimmung kleiner metallischer Felder in vorteilhafter Weise stark reduziert. Die übrigen Ausführungen der optischen Positions-Dekodierung und Wahl der Materialien für den Kryostaten und die Probenumgebung verringern weiterhin vorteilhaft den Einfluss von Störfeldern auf die hochsensiblen SQUID-Sensoren und die zu messenden Proben.. Eine Probenmagnetisierung, wie sie z. B. in herkömmlichen SQUID-Systemen allein durch die verwendeten Materialien bzw. dem Erdmagnetfeld zustande kommt, kann u. a. bei gewissen antiferromagnetischen Proben zu verfälschten Signalen führen. Somit ermöglicht die vorgeschlagene Konstruktion die Messung von magnetischen Materialklassen, insbesondere eine direkte Messung der magnetischen Fernfeldern von Antiferromagneten, die bisher nicht erschlossen werden konnten. Another drive according to the invention is a thermodynamic drive, as z. B. is given in a Stirling engine. The cold or warm sources are to be arranged outside the shielding chamber. In particular, by the inventive design of the drive made of non-magnetic materials, the drives get along in particular without the use of electrical energy or fuels, the interference fields in the device for determining small metallic fields are advantageously greatly reduced. The remaining embodiments of the optical position decoding and choice of materials for the cryostat and the sample environment further advantageously reduce the influence of noise fields on the highly sensitive SQUID sensors and the samples to be measured. B. comes in conventional SQUID systems solely by the materials used or the earth's magnetic field, among other things, may lead to corrupted signals in certain antiferromagnetic samples. Thus, the proposed design allows the measurement of magnetic material classes, in particular a direct measurement of the magnetic far fields of antiferromagnets, which could not be developed previously.
Ausführungsbeispiel embodiment
Die Erfindung soll in einem Ausführungsbeispiel und anhand von 4 Figuren näher erläutert werden. The invention will be explained in more detail in an embodiment and with reference to 4 figures.
Die Figuren zeigen: The figures show:
Fig. 1 : Übersicht über eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Bestimmung kleiner Magnetfelder. Fig. 1: Overview of a device according to the invention for the determination of small magnetic fields.
Fig. 2: Antrieb mit Schwerkraft als Energiequelle. Fig. 2: drive with gravity as an energy source.
Fig. 3: Antrieb mit Druckluft als Energiequelle. Fig. 3: drive with compressed air as an energy source.
In der Fig. 1 ist eine Übersicht über den Aufbau einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Bestimmung kleiner Magnetfelder gezeigt sowie einige weitere Komponenten. Ein SQUID-Sensor 1 mit supraleitender Detektionsspule 2 ist im unteren Teil 3 eines Kryostaten 4 angeordnet, in dem sich auch die Probenkammer 5 befindet. Der untere Teil des Kryostaten 3 ist mit einer Abschirmung 6 ausgestattet. Der Kryostat 4 verfügt über einen Verschluss 7 in dem ein Einfüllstutzen 8 für tiefkalte Gase (Helium, Stickstoff) integriert ist. Der Probenhalter 15 befindet sich in einem Rohr 16, welches mit dem unteren Teil 3 des Kryostaten 4 verbunden ist und über eine FIG. 1 shows an overview of the structure of a device according to the invention for determining small magnetic fields, as well as a few other components. A SQUID sensor 1 with superconducting Detection coil 2 is arranged in the lower part 3 of a cryostat 4, in which the sample chamber 5 is located. The lower part of the cryostat 3 is equipped with a shield 6. The cryostat 4 has a closure 7 in which a filler neck 8 for cryogenic gases (helium, nitrogen) is integrated. The sample holder 15 is located in a tube 16 which is connected to the lower part 3 of the cryostat 4 and via a
Heliumdichtung 19 verfügt. Der Probenhalter 15 wird durch einen Antrieb 9, der mit einer physikalischen Energiequelle gespeist wird, gedreht. An dem Probenhalter 15 ist eine Kodierscheibe 10 angeordnet, über die optisch mit einem optischen Encoder 1 1 eine winkelabhängige Position des Helium seal 19 features. The sample holder 15 is rotated by a drive 9, which is fed with a physical energy source. On the sample holder 15, a coding disc 10 is arranged on the optically with an optical encoder 1 1 an angle-dependent position of the
Probenhalters 15 bestimmt werden kann. Für die Funktion des optischen Encoders 1 1 wird Licht mit einem Glasfaserkabel 12 in die und aus der Abschirmkammer 17 geleitet. Für die Signalstabilisierung des SQUID- Sensor 1 wird eine FLL-Elektronik 13 verwendet. Sample holder 15 can be determined. For the function of the optical encoder 1 1 light is conducted with a fiber optic cable 12 in and out of the shielding chamber 17. For signal stabilization of the SQUID sensor 1 FLL electronics 13 is used.
Die Signale des SQUID-Sensors können außerhalb der Kammer 17 mit einer Datenverarbeitungsanlage 18 verarbeitet werden. Die Lichtsignale aus dem optischen Encoder 1 1 können ebenfalls außerhalb der Kammer mit einem Lichtsensor 14 erfasst werden. The signals of the SQUID sensor can be processed outside the chamber 17 with a data processing system 18. The light signals from the optical encoder 1 1 can also be detected outside the chamber with a light sensor 14.
In der Fig. 2 ist ein Antrieb mit Schwerkraft als Energiequelle gezeigt. Die gezeigte Ausführung nutzt ein Gewicht A und ein Pendel B. Das Gewicht A wird durch die Schwerkraft nach unten bewegt, wodurch eine Achse C in Rotation versetzt ist, die auf das Pendel B mit Zahnrädern D übertragen wird. Die Pendelbewegung wiederum wird durch ein Stellwerk auf den Probenhalter 15 (hier nicht gezeigt) übertragen, so dass dieser sich entlang seiner In Fig. 2, a drive with gravity as an energy source is shown. The embodiment shown utilizes a weight A and a pendulum B. The weight A is moved by gravity downwards, whereby an axis C is set in rotation, which is transmitted to the pendulum B with gears D. The pendulum movement in turn is transmitted through a signal box on the sample holder 15 (not shown here), so that this along its
Längsachse dreht. Mit einer Handkurbel E kann dem Gewicht A mit Longitudinal axis turns. With a hand crank E can weight A with
Muskelkraft wieder potentielle Energie zugeführt werden. Anstelle der Muscle power can be fed back to potential energy. Instead of
Betätigung der Kurbel E mit Muskelkraft sind hier auch andere Antriebe denkbar, sofern diese außerhalb der Abschirmkammer 17 angeordnet sind, wie z.B. Elektromotoren. In der Fig. 3 ist ein Antrieb mit Druckluft als Energiequelle in der Ausführung als Kolbenmaschine mit Pneumatikzylindern i gezeigt. Druckluft wird über die Öffnungen ii den Zylindern i zugeführt, wodurch, durch deren Dekompression die Kolben iii nach unten bewegt werden und diese Bewegung auf einer Kurbelwelle iv in eine Drehbewegung umgesetzt wird, die eine Achse v in Rotation versetzt. Diese Rotation wird dann durch ein Stellwerk auf den Probenhalter 15 (hier nicht gezeigt) übertragen, so dass dieser sich entlang seiner Längsachse dreht. Actuation of the crank E with muscle power, other drives are conceivable here, provided that they are arranged outside the shielding chamber 17, such as electric motors. In Fig. 3, a drive with compressed air as an energy source in the embodiment is shown as a piston machine with pneumatic cylinders i. Compressed air is supplied via the openings ii to the cylinders i, whereby, through the decompression, the pistons iii are moved downwards and this movement is converted on a crankshaft iv into a rotational movement which sets an axis v in rotation. This rotation is then transmitted through an interlocking to the sample holder 15 (not shown here) so that it rotates along its longitudinal axis.
In dem Ausführungsbeispiel entspricht der Antrieb 9 einem Antrieb mit In the embodiment, the drive 9 corresponds to a drive with
Schwerkraft als Energiequelle wie er in der Fig. 2 gezeigt ist. Der Antrieb ist dabei komplett aus Kunststoffteilen zum Baustein-Steck-Modellbau, wie sie als Kinderspielzeug bekannt sind, zusammengesetzt. Das Gewicht A ist aus einer PET-Flasche, die mit Wasser befüllt ist, gebildet. Das Gewicht kann so durch den Füllungsgrad mit Wasser sehr genau angepasst werden. Gravity as an energy source as shown in FIG. 2. The drive is completely composed of plastic parts for building block plug-model, as they are known as children's toys, composed. The weight A is formed from a PET bottle filled with water. The weight can be adjusted very precisely by the degree of filling with water.
Der SQUID-Sensor 1 ist ein auf Mikrosystemtechniken basierter, einstufiger, DC-SQUID-Stromverstärker (DC=direct current) der dem Stand der Technik entspricht bzw. als kommerzielles Produkt erhältlich ist. The SQUID sensor 1 is a microsystem-based, single-stage, DC-SQUID (direct current) current amplifier, which is known in the art or available as a commercial product.
Der Aufbau der erfindungsgemäßen Vorrichtung im Ausführungsbeispiel ist individuell gefertigt und entspricht dem in der Fig. 1 gezeigten. Dabei ist der SQUID-Sensor 1 von einer kleinen Niob-Messing-Abschirmung umgeben und an die FLL-Elektronik 13 angeschlossen. Der Kryostat 4 ist durch einen Dewar realisiert. The structure of the device according to the invention in the embodiment is made individually and corresponds to that shown in FIG. In this case, the SQUID sensor 1 is surrounded by a small niobium-brass shield and connected to the FLL electronics 13. The cryostat 4 is realized by a Dewar.
Im unteren Teil 3 des aus Hart-PVC gebildeten Kryostaten 4 liegt die In the lower part 3 of the formed of rigid PVC cryostat 4 is the
Probenkammer 5 in Form eines Röhrchens aus Kunststoff vor. Eine Führung für die Probenhalterung 15 ist an einer Seite mit einer Helium-Dichtung 19 versehen und an der anderen Seite mit der Probenkammer 5 verbunden und dabei aus einer doppelwandigem Stahlröhre 16 gebildet, in der auch die Kabel von und zum SQUID-Sensor 1 geführt sind. Die supraleitende Detektionsspule 2 befindet sich in einem Einbettungsmittel aus PEEK Sample chamber 5 in the form of a tube made of plastic. A guide for the sample holder 15 is provided on one side with a helium seal 19 and connected on the other side with the sample chamber 5 and thereby formed from a double-walled steel tube 16, in which the cables are guided from and to the SQUID sensor 1 , The superconducting Detection coil 2 is located in an embedding means of PEEK
(PolyEtherEtherKaton). Der Probenhalter 15 ist aus Glasfaser gebildet. Der Bereich um die Probenkammer 5 im Kryostaten 4 ist mit einer supraleitenden Bleiabschirmung 6 versehen. (PolyEtherEtherKaton). The sample holder 15 is formed of glass fiber. The area around the sample chamber 5 in the cryostat 4 is provided with a superconducting lead shield 6.
Die Abschirmkammer 17 ist ein passiv abgeschirmter Raum, BMSR-1 The shielding chamber 17 is a passive shielded space, BMSR-1
(BMSR=Berlin Magnetically Shielded Room) der Physikalisch Technischen Bundesanstalt, der externen Nutzern zur Verfügung gestellt wird. Eine (BMSR = Berlin Magnetically Shielded Room) of the Physikalisch Technische Bundesanstalt, which is made available to external users. A
Beschreibung des Raums findet sich in dem Aufsatz 4 von J. Bork et al (The 8-layered magnetically shielded room of the PTB: Design and construction. Proceedings 12th International Conference on Biomagnetism, Edited by J. Nenonen et al., 2001 , S. 970-973). A description of the space can be found in the article 4 by J. Bork et al., The 8-layered Magnetically Shielded Room of the PTB: Design and Construction, Proceedings 12 th International Conference on Biomagnetism, Edited by J. Nenonen et al. Pp. 970-973).
Bei der Encoderscheibe handelt es sich um schwarz-weiß-bedruckte Folie die laminiert worden ist. Die Lichtleiter (Glasfaser) und Linsen sind handelsübliche Produkte. The encoder disk is a black and white printed film that has been laminated. The fiber optics and lenses are commercially available products.
Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist es gelungen eine externes With the device according to the invention succeeded in an external
Quadrupolfeld einer Cr2Ü3 Probe zu bestimmen, wie es in dem Aufsatz 5 von I. Dzyaloshinskii (External magnetic fields of antiferromagnets, Solid State Communications, Vol. 82(7), 1992, S. 579-580) postuliert ist. Zusätzlich konnten magnetische Spinspiralen einer antiferromagnetischen Phase von TbMn03 erfolgreich gemessen werden. Magnetische Spinspiralen konnten bisher lediglich mit z.B. Neutronenstreuexperimenten oder To determine quadrupole field of a Cr2Ü3 sample, as in the article 5 of I. Dzyaloshinskii (External magnetic fields of antiferromagnets, Solid State Communications, Vol. 82 (7), 1992, pp 579-580) is postulated. In addition, magnetic spin spirals of an antiferromagnetic phase of TbMn03 could be successfully measured. Magnetic spin spirals have heretofore been able to be used only with e.g. Neutron scattering experiments or
Synchrotronstrahlung charakterisiert werden. Die erfindungsgemäße Synchrotron radiation can be characterized. The inventive
Vorrichtung ist eine praktikable und kostengünstige Alternative bzw. Device is a viable and cost effective alternative or
Ergänzung zur Messung von antiferromagnetischen Strukturen mit Supplement to the measurement of antiferromagnetic structures with
Großgeräten. Die geschätzte magnetische Feldauflösung der Large appliances. The estimated magnetic field resolution of
erfindungsgemäßen Vorrichtung ist besser als 10~13 T im Abstand von 1 mm von der Probe, d.h. mehrere Größenordnungen genauer als herkömmliche. Die besondere Eignung der Vorrichtung zur Bestimmung kleiner magnetischer Felder ist damit demonstriert. Device according to the invention is better than 10 ~ 13 T at a distance of 1 mm from the sample, ie several orders of magnitude more accurate than conventional. The particular suitability of the device for the determination of small magnetic fields is thus demonstrated.

Claims

Patentansprüche claims
1 . Vorrichtung zur Bestimmung kleiner Magnetfelder mit einem SQUID- Sensor (1 ), mindestens aufweisend einen SQUID-Sensor (1 ) mit einer supraleitenden Detektionsspule (2) und mit einer Flussregelschleife (13), einen Kryostaten (4) mit einer Probenkammer (5), wobei ein Abschnitt des Kryostaten (3) in dem die Probenkammer untergebracht ist mit einer Abschirmung (6) versehen ist und wobei die Probenkammer (5) über einen Probenhalter (15) von außerhalb des Kryostaten (4) über einen Antrieb (9) drehbar ist und eine Position der Drehung über einen optischen Encoder (1 1 ) bestimmbar ist und der Kryostat (4) in einer Abschirmkammer (17) angeordnet ist, 1 . Device for determining small magnetic fields with a SQUID sensor (1), comprising at least a SQUID sensor (1) with a superconducting detection coil (2) and with a flux control loop (13), a cryostat (4) with a sample chamber (5), wherein a portion of the cryostat (3) in which the sample chamber is housed is provided with a shield (6) and wherein the sample chamber (5) is rotatable via a sample holder (15) from outside the cryostat (4) via a drive (9) and a position of the rotation via an optical encoder (1 1) can be determined and the cryostat (4) is arranged in a shielding chamber (17),
dadurch gekennzeichnet, dass  characterized in that
- der Antrieb (9) einer aus der Gruppe Federantrieb, Gewichtsantrieb, hydrodynamischer Antrieb, pneumatischer Antrieb und  - The drive (9) one of the group spring drive, weight drive, hydrodynamic drive, pneumatic drive and
thermodynamischer Antrieb ist und aus nichtmagnetischen  thermodynamic drive is and non-magnetic
Materialien gefertigt ist,  Materials is made,
- eine Einbettung für die supraleitende Detektionsspule (2), der  - An embedding for the superconducting detection coil (2), the
Abschnitt (3) des Kryostaten (4) in dem die Probenkammer (5) untergebracht ist und die Probenkammer (5) aus nichtmagnetischen Materialien gefertigt sind,  Section (3) of the cryostat (4) in which the sample chamber (5) is accommodated and the sample chamber (5) are made of non-magnetic materials,
- die Abschirmung (6), des Teils des Kryostaten (3) in dem die  - The shield (6), the part of the cryostat (3) in which the
Probenkammer (5) untergebracht ist, aus supraleitendem Blei gefertigt ist und  Sample chamber (5) is housed, is made of superconducting lead and
- der optische Encoder 1 1 mit einer Lichtquelle aus einem  - The optical encoder 1 1 with a light source from a
Glasfaserkabel 12 ausgestattet ist.  Fiber optic cable 12 is equipped.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1 , 2. Apparatus according to claim 1,
dadurch gekennzeichnet, dass  characterized in that
der Antrieb (9) als Gewichtsantrieb mit Pendel ausgeführt ist.  the drive (9) is designed as a weight drive with pendulum.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass 3. Apparatus according to claim 1, characterized in that
der Antrieb (9) als pneumatischer Antrieb ausgeführt ist. the drive (9) is designed as a pneumatic drive.
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