DE3931441C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung geht aus von einem Sensor zum Messen von magnetischem Fluß, bestehend aus supraleiten­ dem Ring mit inkorporiertem Josephsonelement, der an einem elektrischen Schwingkreis angekoppelt ist, der aus einer, einen Resonator für stehende elektrische Wellen bildenden Stück Streifenleitung mit für den zu messenden Magnetfluß vorgesehener Öff­ nung mit angrenzendem Josephsonelement besteht, so daß der supraleitende Ring in den Streifenresona­ tor integriert ist, bei dem das Josephsonelement längs der Mittel- oder Längsachse des Streifenreso­ nators liegend angeordnet ist und bei dem zur kapazitiven Ankopplung des Streifenresonators an eine Auswerteelektronik ein am Streifenresonator anliegendes weiteres Stück Streifenleitung vorge­ sehen ist.

Auf der Frühjahrstagung Münster 1989 der Deutschen Physikalischen Gesellschaft wurde über einen derartigen Sensor berichtet. Auch aus der DE 29 06 264 B2 und der EP 02 46 419 A1 sind SQUID- Magnetometer in Dünnfilmtechnik, die der Messung schwacher magnetischer Felder dienen, bekannt.

Bei derartigen Sensoren ist der supraleitende Ring mit inkorporiertem Josephsonelement in Dünnfilm­ technik hergestellt, wobei Ring und Josephsonele­ ment durch Aufdampfen oder Kathodenzerstäubung als dünne Schicht auf einem Substrat, welches möglichst niedrige dielektrische Verluste aufweist, aufge­ bracht sind.

Zum Betrieb dieser bekannten Sensoren werden sie im allgemeinen an einen elektrischen Parallel­ schwingkreis, im folgenden Tankkreis genannt, der ebenfalls supraleitend sein kann, mit Resonanzfre­ quenz f angekoppelt, in welchen wiederum ein Hoch­ frequenzstrom mit gleicher Frequenz f eingeprägt wird. Der supraleitende Ring bedämpft den Tankkreis, wobei die Größe der Dämpfung vom magnetischen Fluß durch den supraleitenden Ring abhängig ist. Dadurch ändert sich der Spannungsabfall über dem Tankkreis, was zum Auslesen des Sensors verwendet wird.

Es ist ferner bekannt, daß das Eigenrauschen dieser Sensoren und damit deren maximale Empfindlichkeit gesteigert werden kann, wenn die Betriebsfrequenz des Tankkreises vergrößert wird. Zu höheren Fre­ quenzen hin (f < 500 MHz) bereitet jedoch die Realisierung von Tankkreisen aus diskreten Bauele­ menten, wie Spule und Kondensator, Schwierigkeiten, und auch die Kopplung zwischen Tankkreis und dem supraleitenden Ring sinkt wegen der mit zunehmender Frequenz geringer werdenden Induktivität der Tank­ kreisspule auf zu geringe Werte ab.

Der eingangs bezeichnete Sensor kann allerdings mit höherer Frequenz als andere bekannte Sensoren dieser Art bei zumindest gleich guter Kopplung zwischen Tankkreis und dem das Josephsonelement enthaltenden, supraleitenden Ring betrieben werden. Bei diesem Sensor sind supraleitender Ring und Tankkreis ein Bauteil. Dieses besteht aus dem Streifenresonator, wobei der Streifenresonator selbst den Tankkreis und die Begrenzung der Öffnung den supraleitenden Ring, in den das Josephsonele­ ment inkorporiert ist, bildet. Der supraleitende Ring bildet sich somit quasi erst während des Betriebs des Sensors aus.

Dadurch, daß das Josephsonelement längs der Mittel- bzw. Längsachse des Streifenresonators liegend angeordnet ist, fließt in ihm - falls ein genügend hoher Hochfrequenzstrom eingespeist wird - der für die Messung der Magnetflüsse notwendige Strom.

Dieser Sensor eignet sich in gleicher Weise wie andere bisher bekannte Sensoren dieser Art - aller­ dings mit höherer Empfindlichkeit - zur Messung der Änderung eines Magnetflusses. Dabei handelt es sich in der Regel nicht um Absolutmessungen. Viel­ mehr stellt man mit Sensoren dieser Art nur eine Änderung des Magnetflusses fest, entweder indem man den Sensor bewegt oder indem man das Magnetfeld verändert. Ein - im Meßbereich - homogenes Magnet­ feld ist dann daran zu erkennen, daß es keine relative Änderung des Magnetflusses zu messen gestattet.

Es ist nun Aufgabe der Erfindung, einen Sensor zu schaffen, der es erlaubt, einen am Ort des Sensors inhomogenen Magnetfluß festzustellen und dabei den Einfluß eines überlagernden homogenen Magnetflus­ ses, der beispielsweise von in der Nähe befindli­ chen Störquellen herrühren kann, auszuschalten.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Sensor mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.

Die Unsymmetrie des Streifenresonators im Bereich der Öffnungen dient dazu, einen Hochfrequenzstrom im Josephsonelement zu erzeugen. Sie kann beispiels­ weise dadurch realisiert werden, daß der Streifen­ resonator an einer der Öffnungen eine seitliche Aussparung und damit an dieser Stelle eine Ver­ engung aufweist. Der dadurch bedingte Stromfluß in dieser Verengung im Streifenresonator ist ein anderer als an der entsprechenden Stelle nahe der anderen Öffnung, d. h. die Stromverteilung längs der beiden Öffnungen ist unterschiedlich. Dies führt zu einem resultierenden Strom durch das Josephsonelement.

Damit ist es zugleich möglich, einen im Bereich der beiden Öffnungen inhomogenen Magnetfluß bzw. einen in diesem Meßbereich in bezug auf die beiden Öffnungen sich unterschiedlich ändernden Magnetfluß, beispielsweise bei sich ändernden Hirnströmen, als solchen zu erkennen bzw. zu messen.

Für den Betrieb dieses Sensors ist die Resonanz­ frequenz einzuspeisen, die im Streifenresonator stehende Wellen bildet. Dies kann - bei zunächst beliebiger Länge des Streifenresonators - durch Aufsuchen bzw. Einstellen der Resonanzfrequenz geschehen. Soll jedoch mit einer bestimmten Fre­ quenz gearbeitet werden, so ist der Streifenreso­ nator so auszulegen, daß seine elektrische Länge l einem ungeraden Vielfachen der Halbwellenlänge der Betriebsfrequenz entspricht.

Um den supraleitenden Ring mit inkorporiertem Josephsonelement möglichst günstig im Streifen­ resonator zu plazieren, wird er zweckmäßigerweise an einer Stelle maximalen Stromflusses im Streifen­ resonator angeordnet.

Es ist ferner für eine gute Ankopplung des Streifen­ resonators an die zum Betrieb des Sensors erforder­ liche Raumtemperaturelektronik zweckmäßig, daß das für diese Ankopplung vorgesehene weitere Stück Streifenleitung in der Nähe eines im Streifenreso­ nator sich bildenden Spannungsbauches angeordnet ist.

Eine weitere Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Sensors besteht ferner darin, daß bei einem als Mikrobrücke ausgebildeten Josephsonelement der Teil des Substrats unterhalb des Josephsonelements aus einem Material mit möglichst geringer Wärme­ leitung besteht. Dadurch kann durch die im Josephson­ element durch Dissipation entstehende Wärme der kritische Strom des Josephsonelements auf günstigere Werte verkleinert werden, wenn die Periodendauer der Betriebsfrequenz des Sensors klein ist gegen die Zeit, in der die im Josephsonelement entstehende Wärme durch Wärmeleitung wegtransportiert werden kann.

In der Zeichnung werden der eingangs bezeichnete, bekannte Sensor und der Sensor gemäß der Erfindung schematisch dargestellt und im folgenden näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 den bekannten Sensor mit einer Öffnung;

Fig. 2 den Sensor gemäß der Erfindung mit zwei Öffnungen.

Der in Fig. 1 dargestellte, bekannte Sensor be­ steht aus dem Streifenresonator 1, der darin inte­ grierten Öffnung 2 mit dem sie umgebenden supralei­ tenden Ring. Dieser supraleitende Ring ist in der Zeichnung nicht wiedergegeben, da er sich erst im Betrieb als der die Öffnung umgebenden Ringstrom ausbildet. Dieser Ringstrom durchfließt das Josephsonelement 3, das längs der Mittelachse des Streifenresonators 1 angeordnet ist, wobei dafür Sorge getragen ist, daß der dem Josephsonelement gegenüberliegende Teil des Streifenresonators breiter ist als das Josephsonelement.

Der parallel zum Streifenresonator 1 angeordnete weitere Streifen 4 dient der kapazitiven Ankopplung des Streifenresonators an eine in der Zeichnung nicht dargestellte Auswerteelektronik.

Die Länge l des Streifenresonators ist so bemessen, daß sie einem ungeraden Vielfachen der halben Wellenlänge der Betriebsfrequenz entspricht. Das Josephsonelement ist dabei an einer Stelle maximalen Stromflusses im Streifenresonator 1 angeordnet.

Der in Fig. 2 dargestellte Sensor gemäß der Erfindung besteht aus dem Streifenresonator 1, darin integrierten zwei Öffnungen 2a und 2b mit dazwischen liegendem Josephsonelement 3 sowie dem weiteren Streifen 4.

In der Nähe der Öffnung 2b weist der Streifenreso­ nator 1 eine Aussparung 5 auf, so daß er damit sowohl in bezug auf die Öffnungen als auch in bezug auf seine Mittel- bzw. Längsachse unsymmetrisch ausgebildet ist. Wie weiter oben ausgeführt, ist diese Version des Sensors zur Messung inhomogener Magnetflüsse geeignet.

Claims (6)

1. Sensor zum Messen von magnetischem Fluß, bestehend aus einem supraleitenden Ring mit einem inkorporierten Josephson­ element, der an einem elektrischen Schwingkreis angekoppelt ist, der aus einer, einen Resonator für stehende elektrische Wellen bildenden Stück Streifenleitung mit für den zu messenden Magnet­ fluß vorgesehener Öffnung (2) mit angrenzendem Jo­ sephsonelement besteht, so daß der supraleitende Ring in den Streifenresonator (1) integriert ist, bei dem das Josephsonelement längs der Mittel- oder Längsachse des Streifenresonators liegend angeordnet ist und bei dem zur kapazitiven Ankopp­ lung des Streifenresonators an eine Auswerteelek­ tronik ein am Streifenresonator anliegendes weite­ res Stück Streifenleitung vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß zur Messung inhomogener Magnetflüsse zwei gleiche, längs der Mittel- oder Längsachse des Streifenresonators (1) hintereinander angeordnete Öffnungen (2a, 2b) mit dem dazwischen befindlichen Josephsonelement (3) vorgesehen sind, und daß der Streifenresonator im Bereich der Öffnungen sowohl in bezug auf die Öffnungen als auch in bezug auf seine Mittel- oder Längsachse unsymmetrisch ausge­ bildet ist.

2. Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Öffnungen (2a, 2b) symmetrisch zur Mittel- oder Längsachse des Streifenresonators (1) angeord­ net sind.

3. Sensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrische Länge l des Streifenresonators (1) einem ungeraden Vielfachen der halben Wellen­ länge der Betriebsfrequenz entspricht.

4. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Josephsonelement (3) an einer Stelle maxi­ malen Stromflusses im Streifenresonator (1) angeord­ net ist.

5. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das weitere Stück Streifenleitung (4) in der Nähe eines im Streifenresonator (1) sich bildenden Spannungsbauches angeordnet ist.

6. Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß bei einem als Mikrobrücke ausgebildeten Josephsonelement (3) der Teil des Substrats unter­ halb des Josephsonelements aus einem Material mit möglichst geringer Wärmeleitung besteht.