DE60314431T2

DE60314431T2 - Supraleitende quanteninterferenzeinrichtung

Info

Publication number: DE60314431T2
Application number: DE60314431T
Authority: DE
Inventors: David Lindfield TILBROOK; Keith Lindfield LESLIE
Original assignee: Commonwealth Scientific and Industrial Research Organization CSIRO
Current assignee: Commonwealth Scientific and Industrial Research Organization CSIRO
Priority date: 2002-08-07
Filing date: 2003-08-07
Publication date: 2008-06-19
Anticipated expiration: 2023-08-08
Also published as: EP1547167A1; WO2004015788A1; US20060186881A1; US20060113992A1; US7482804B2; CA2494125C; US7508202B2; DE60314431D1; JP2005535134A; CA2494126C; AU2002950624A0; CA2829934A1; CA2829934C; CA2494126A1; CA2494125A1; JP2005534929A; ATE364847T1; EP1547167A4; ATE512368T1; EP1527349B1

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft supraleitende Vorrichtungen mit in drei Dimensionen angeordneten Elementen, und insbesondere bei hoher Temperatur supraleitende Vorrichtungen mit in drei Dimensionen angeordneten Elementen. Die Erfindung betrifft insbesondere bei hoher Temperatur supraleitende axiale Gradiometer, die eine durch Ätzen einer Transformatorspulenstruktur auf einem flexiblen supraleitendes Band gebildete gradiometrische Tastspule einsetzt. Die Tastspule wird vorzugsweise induktiv an ein supraleitendes Quanteninterferenzvorrichtung(SQUID)-Magnetometer gekoppelt. Bei Anwendungen in denen die Sensitivität des Magnetfelds in der zur Gradiometerachse senkrechten Richtung problematisch ist kann das homogene Hintergrundmagnetfeld durch in Übereinstimmung bringen der gegenseitigen Induktanz zwischen der zweiten Tastspule des Flusstransformators und des Magnetometers reduziert werden, um einen Abschirmungszustand zu erzeugen.
Technischer Hintergrund
Supraleitende Quanteninterferenzvorrichtungen (SQUID) werden oft als hochsensitive Magnetfeldsensoren verwendet. Solche SQUID-Sensoren werden zunehmend beliebter wegen der Fähigkeiten zu hochsensitiver Sensorik in Gebieten, wie etwa der geophysikalischen Suche nach Mineralien und dem Detektieren biologischer Magnetfelder, wie etwa Magnetfeldausstrahlungen aus dem menschlichen Gehirn oder anderen menschlichen Organen.
Bis zur Einführung von supraleitenden Materialien mit hoher kritischer Temperatur (HTS), wie etwa YBa₂Cu₃O_x (YBCO), können HTS-SQUID oberhalb von 77K (–196°C) betrieben werden und können daher mit relativ billigem flüssigen Stickstoff gekühlt werden anstatt flüssiges Helium als Kühlmittel zum Betrieb bei 4K (–296°C) zu benötigen. Flüssiger Stickstoff ist auch einfacher zu verwenden als flüssiges Helium, wodurch das System als ganzes in einer kompakten Form hergestellt werden kann.
Die Verwendung von bei hoher Temperatur supraleitenden Materialien (HTS) zur Herstellung von Magnetometern und Gradiometern auf SQUID-Basis ist heutzutage ziemlich gut eingeführt (beispielsweise W. Eidelloth, B. Oh, R. P. Robertazzi, W. J. Gallagher, R. H. Koch, Appl. Phys. Lett., 59, 3473 (1991); S. Knappe, D. Drung, T. Schurig, H. Koch, M. Klinger, J. Hinker, Cryogenics 32, 881, (1992); M. N. Keene, S. W. Goodyear, N. G. Chew, R. G. Humphreys, J. S. Satchell, J. A. Edwards, K. Lander, Appl. Phys. Lett. 64, 366 (1994); G. M. Daalmans, Appl. Supercond. 3, 399 (1995); M. I. Faley, U. Poppe, K. Urban, H. -J. Krause, H. Soltner, R. Hohmann, D. Lomparski, R. Kutzner, R. Wordenweber, H. Bousack, A. I. Braginski, V. Y. Slobodchikov, A. V. Gapelyuk, V. V. Khanin, Y. V. Maslennikov, IEEE Trans. Appl. Supercond., 7, 3702 (1997). Trotz der bedeutenden Vorteile, die sich von der Möglichkeit zum Betrieb bei den Temperaturen des flüssigen Stickstoffs herleiten, bleiben HTS-Materialien schwieriger zu verwenden als die alternativen, bei niedriger Temperatur supraleitenden Materialien und viele Designmethoden von heliumgekühlten Niedertemperatur-Supraleitern (LTS) können nicht bei HTS-Materialien angewendet werden. Insbesondere gibt es keine supraleitenden HTS-Drähte und die Schwierigkeit beim Bilden von supraleitenden Schaltungen in HTS-Materialien bedeutet, dass das Standard-LTS-Designverfahren zum Bilden von Gradiometerspulen in HTS-Materialien nicht angewendet werden kann.
Es wurden Designs für HTS-Gradiometer, die auf on-diagonale Komponenten sensitiv sind, δB/δx_i (axiale Gradiometer), beschrieben (beispielsweise: R. H. Koch, J. R. Rozen, J. Z. Sun, W. J. Gallagher, Appl. Phys. Lett., 63, 403, (1993); H. J. M. ter Brake, N. Janssen, J. Flokstra, D. Veldehuis, H. Rogalla, IEEE Trans. Appl. Supercond., 7, 2545, (1997); J. Borgmann, P. David, G. Ockenfuss, R. Otto. J. Schubert, W. Zander. A. J. Braginski, Rev. Sci. Instrum. 68, 2730, (1997), doch diese wurden mittels elektronischer oder Softwaresubtraktion des Outputs eines Paars an SQUID-Magnetometern, die allgemein an festen Abständen zu einander auf einer gemeinsamen Nennachse positioniert sind, implementiert. Diese Designs zeigen den Nachteil, dass beide Magnetometer linear im vollen Umgebungsfeld (häufig das Erdmagnetfeld) arbeiten müssen. Es ist schwierig eine gute Gleichtaktunterdrückung (Unterdrückung von homogenen Feldern) zu erreichen, was im allgemeinen bei den meisten Implementationen auch eine Größenordung von etwa 10^–3 beschränkt ist. Ferner kann die erreichbare Rauschleistung von der Größe des homogenen Hintergundmagnetfeldes abhängen; welche durch Mikrophone bestimmt werden, die von Vibrationen ausgehen, die sich zufällig verändernde fehlerhafte Ausrichtungen der Symmetrieachsen der SQUID verursachen.
Einige dieser Probleme werden unter Verwendung von intrinsischen Gradiometerstrukturen verbessert. Obwohl verschiedene Designs für intrinsische magnetische Gradiometer unter Verwendung von HTS-Filmen in der Literatur beschrieben wurden sind diese Designs nur für die off-diagonalen Komponenten des gradienten Tensors erster Ordnung, δB_i/δx_j, i ≠ j (transverse Gradiometer), sensitiv. Von diesen Designs gibt es im allgemeinen zwei Typen. Der erste verwendet eine „8" Topologie, in der die Tastspulestruktur des Gradiometers aus einem Paar von supraleitenden Spulen mit einem gemeinsamen Leiter, der durch ein Gleichstrom-SQUID unterbrochen wird, bestehen. Das SQUID arbeitet als eine Vorrichtung mit zwei Anschlüssen (SQUID-Verstärker), weil der Fluss im SQUID vom direkt in ein Paar von Inputanschlüssen eingespeisten Strom abgeleitet ist. Abhängig von der Übereinstimmung der Induktanzen und äquivalenten magnetischen Flächen der Gradiometerinputspulen ist der Strom im SQUID proportional zum Unterschied der Abschirmungsströme, die in den Tastspulen als Reaktion auf einen externen magnetischen Feldgradienten induziert werden. Die zwei Tastspulen sind elektrisch parallel geschaltet, so dass ein Nachteil dieser Topologie darin besteht, dass selbst in einem homogenen Feld ein großer Gesamtabschirmungsstrom im äußeren Perimeter der Tastspulenstruktur induziert wird, was dazu führen kann, dass sich die Rauschleistung durch die assoziierte Produktion einer großen Zahl von Abrikosov-Wirbel im supraleitenden Film verschlechtert.
Ein anderer Ansatz zur Entwicklung von transversen HTS-Gradiometern verwendet eine planare Tastspulenstruktur, die über Flip-Chip mit einem SQUID-Magnetometer verbunden ist, an welches es induktiv gekoppelt ist. In Designs erster Ordnung besteht der Flusstransformator aus einem Paar von Tastspulen, von denen eine an das SQUID-Magnetometer gekoppelt. Durch in Übereinstimmung bringen der gegenseitigen Induktanz zwischen der SQUID und der Spule kann die gesamtwirksame magnetische Fläche der SQUID/Spulen-Kombination exakt entgegengesetzt zu der der anderen Spule des Flusstransformators ausgeführt werden. Unter diesen Bedingungen verschwindet die Sensitivität auf ein homogenes magnetisches Feld, aber bleibt von Null verschieden, in Bezug auf einen magnetischen Feldgradienten. Ein transverses Gradiometer zweiter Ordnung wurde auch unter Verwendung dieses Ansatzes implementiert.
WO-A-00/57200 offenbart einen flexiblen Bandtransformator, der die magnetische Empfindlichkeit durch Positionieren einer starken Magnetfeldquelle zwischen den Spulen gemusterter Stromkreise misst. Die verschiedenen Spulen in einem jeden gemusterten Stromkreis weisen deutlich unterschiedliche Induktanzen auf.
Jede Diskussion von Dokumenten, Handlungen, Materialien, Vorrichtungen, Gegenständen oder Dergleichen, die in der vorliegenden Beschreibung enthalten ist, dient nur dem Zweck einen Kontext für die vorliegende Erfindung bereit zu stellen. Dies soll nicht als Eingeständnis gewertet werden, dass irgendeines oder alle von diesen Dingen einen Teil des grundlegenden Standes der Technik bilden oder in dem die vorliegende Erfindung betreffendem Gebiet allgemeines Fachwissen waren, wie es vor dem Prioritätstag eines jeden Anspruchs dieser Anmeldung existierte.
In dieser Beschreibung wird das Wort „umfassen" oder Abänderungen, wie „umfasst" oder „umfassend", so verstanden, dass ein benanntes Element, Ganzzahl oder Schritt oder Gruppe von Elementen, Ganzzahlen oder Schritten eingeschlossen sind, aber irgend ein anderes Element, Ganzzahl oder Schritt oder Gruppe von Elementen, Ganzzahlen oder Schritten nicht ausgeschlossen ist.
In dieser Beschreibung trifft der Begriff „supraleitendes Material", „supraleitende Vorrichtung" und der Gleichen ein Material oder eine Vorrichtung, die, in einem gewissen Zustand und bei einer gewissen Temperatur, Supraleitfähigkeit zeigen kann. Die Verwendung dieses Begriffs bedeutet nicht, dass das Material oder die Vorrichtung in allen Zuständen oder bei allen Temperaturen Supraleitfähigkeit zeigt.
Zusammenfassung der Erfindung:
Gemäß einem ersten Aspekt stellt die vorliegende Erfindung ein axiales supraleitendes Gradiometer gemäß Anspruch 1 bereit.
Gemäß einem zweiten Aspekt stellt die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines axialen supraleitenden Gradiometers gemäß Anspruch 8 bereit.
Die inhärenten Kennzeichen der zwei supraleitenden Tastspulen, wie kritischer Strom und wirksame Fläche, können wahrscheinlich deutlich besser zur Übereinstimmung gebracht werden als es für die Kennzeichen für Tastspulen oder Vorrichtungen, die auf separaten Substraten gebildet sind, der Fall wäre. Daher kann von solchen Vorrichtungen erwartet werden, dass die Fehlerspanne deutlich niedriger ist, und tatsächlich können mit einigen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung Magnetfelder detektiert werden, die bis zu 10⁸ mal niedriger sind als das Erdmagnetfeld. Die Bereitstellung von zwei supraleitenden Tastspulen auf den gemeinsamen flexiblen Substrat ermöglicht ferner die Konstruktion von Magnetfelddetektionsvorrichtungen, wie axialen Gradiometern, die nur ein einzelnes SQUID umfassen. Diese Schaltungen zeigen deutliche Vorteile gegenüber Schaltungen, die die zusätzliche Komplexität der Bereitstellung einer Vielzahl von SQUID erfordern, hinsichtlich sowohl physikalischer Herstellung der Vorrichtung als auch den elektrischen Kennzeichen der Vorrichtung.
Das supraleitende Band wurde hauptsächlich für Anwendungen der Energieübertragung entwickelt. In frühen Entwicklungen wurde ein solches Band unter Verwendung von Pulver in einer Silberröhre, die mit einem der verschiedenen keramischen HTS-Materialien gefüllt ist, gebildet, aber aktuellere Entwicklungen in der Bandtechnologie haben zu der Fähigkeit geführt, YBCO-Filme auf sowohl Metall- und isolierenden Substraten zubilden, mit einer dazwischen liegenden Pufferschicht.
In bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung kann das gemeinsame flexible Substrat ein Hastelloy-Band von vorzugsweise 50 bis 200 nm Dicke umfassen. Zusätzlich zur Bereitstellung eines gemeinsamen flexiblen Substrats gemäß der vorliegenden Erfindung ist ein Hastelloy-Band auch dahingehend vorteilhaft, dass eine Tastspule von deutlich größerer Fläche zu deutlich niedrigeren Kosten gebildet werden kann, im Vergleich zu nicht flexiblen kristallinen Substraten, wie MgO, SrTiO₃, LaAl₂O₃ oder dergleichen. In anderen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung kann das gemeinsame flexible Substrat ein teilweise oder vollständig stabilisiertes Zirkonsubstrat umfassen, beispielsweise in der Form einer sehr dünnen flexiblen Bahn wie sie unter dem Namen Ceraflex durch MarkeTech International aus 4750 Magnolia St, Port Townsend, WA, 98368, USA, bereitgestellt wird. Es hat sich gezeigt, dass Ceraflex im Vergleich zu Hastelloy-Band verbesserte Rauscheigenschaften besitzt, was es möglich macht, dass das Signal-Rausch-Verhältnis einer über dem Ceraflexsubstrat gebildeten supraleitenden Vorrichtung um vielleicht 30 % bezogen auf Hastelloy-Band verbessert ist.
In Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung, in denen das gemeinsame flexible Substrat ein polykristallines Substrat, wie Hastelloy oder Ceraflex ist, wird bevorzugt eine zweiachsig ausgerichtete Pufferschicht, wie Yttrium-stabilisiertes Zirkoniumoxid (YSZ), über dem gemeinsamen flexiblen Substrat gebildet, um die zweiachsige Ausrichtung eines supraleitenden Materials, aus dem mindestens eine supraleitende Tastspule gebildet wird, zu verbessern. Die Pufferschicht kann durch Ionenstrahl unterstützter Abscheidung (IBAD) oder durch Doppelionenstrahl unterstützter Abscheidung (DIBAD) abgeschieden werden, wie in der ebenfalls anhängigen internationalen PatentanmeldungNr. PCT/AU02/00696, veröffentlicht als WO-A-2002/097462 , des vorliegenden Anmelders ausgeführt.
In Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung kann ein magnetisches Feld, dass durch mindestens eine Tastspule durchgeht, welches einen Strom in mindestens einer Tastspule induziert, unter Verwendung einer SQUID detektiert werden. Die SQUID kann auf dem gemeinsamen flexiblen Substrat gebildet werden. Alternativ kann die SQUID magnetisch an mindestens eine Tastspule eines auf dem gemeinsamen flexiblen Substrat gebildeten Flusstransformators und durch Positionieren der SQUID, so dass eine Kopplung zwischen dem Flusstransformator und der SQUID möglich ist, gekoppelt werden. Beispielsweise kann die SQUID gegen den Flusstransformator in einer „Flip-Chip"-Anordnung montiert werden.
Die vorliegenden Erfinder haben festgestellt, dass es möglich ist, flexible Substrate zu verwenden, die Hastelloy-Bänder oder Ceraflex, um eine zweiachsig ausgerichtete Pufferschicht zu tragen und daher eine flexiblen supraleitenden Stromkreis zu tragen, der über der Pufferschicht gebildet ist. Beispielsweise können solche Substrate verwendet werden, um flexible supraleitende Stromkreise zu tragen, wie großflächige Tastspulen für Magnetometer. Daher erweitert die vorliegende Erfindung die Anwendungen für supraleitende Bänder, die solche flexiblen Substrate verwenden, um eine Verwendung als ein flexibles supraleitendes Medium zur Herstellung von flexiblen supraleitenden Stromkreisen, einschließlich Tastspulen für Gradiometer und flexiblen Grundflächen für supraleitende Leiterbahnen, einzuschließen. Ferner schließen solche Anwendungen die Bildung von flexiblen supraleitenden Wellenleitern ein. In vielen der von der vorliegenden Erfindung ins Auge gefassten Anwendungen würden sogar relativ kurze Bandlängen, in der Größenordnung weniger hundert Millimeter, ausreichen.
Kleinste Kurvenradius des gemeinsamen flexiblen Substrat sollte kontrolliert werden. Dies liegt daran, dass eine zu enge Krümmung der Vorrichtung eine Beschädigung des polykristallinen flexiblen Substrats, der zweiachsig ausgerichteten Pufferschicht, der kristallinen supraleitenden Schicht oder irgend einer anderen Schicht, wie einer darüber liegenden passivierenden Silberschicht verursachen. Abhängig von den Materialien, aus denen das gemeinsame flexible Substrat, die Pufferschicht, die supraleitenden Tastspulen und irgendwelche anderen Schichten, wie eine Passivierungsschicht, gebildet sind, kann der minimale zulässige Kurvenradius der Vorrichtung variieren.
Das Band kann auch verdrillt sein, um Stromkreiselemente in einer dritten Ebene bereit zustellen, beispielsweise um Elemente in dren orthogonalen Flächen bereitzustellen. Auch hier wird der minimale Kurvenradius oder die Verdrillung vorzugsweise kontrolliert, um eine Beschädigung der Vorrichtung zu vermeiden.
Gemäß der Erfindung schließt das axiale Gradiometer einen Flusstransformator ein. Dieser kann durch Bemustern eines geeigneten Stromkreises unter Verwendung herkömmlicher Resisttechniken über der supraleitenden Schicht des Bandes, das beispielsweise eine über einer zweiachsig ausgerichteten Pufferschicht des flexiblen Substrats gebildete YBCO- Schicht sein kann, gebildet werden. In diesen Ausführungsformen umfasst der Flusstransformator zwei äußere Tastspulen, die in Serie mit einer zentral angeordneten zweiten Spule über ein Paar von flexiblen Leiterbahnleitern verbunden sind. Ein SQUID-Magnetometer wird dann nach „Flip-Chip"-Art über der zweiten Spule angebracht, und mittels isolierender Abstandshalter von der zweiten Spule getrennt. In solchen Ausführungsformen werden vorzugsweise zwei zusätzliche Längen von flexiblen supraleitenden Bändern verwendet, um die Leiterbahnleiter zwischen jeweils der äußeren Tastspule und der zweiten Spule zu bedecken. Unter Bezug auf die Leiterbahnleiter bilden die zusätzlichen Längen des flexiblen supraleitenden Bandes eine Grundfläche. Diese zusätzlichen Längen des flexiblen supraleitenden Bandes werden vorzugsweise so konfiguriert, dass sie drei Aspekten dienen. Erstens, dienen solche zusätzliche Längen des supraleitenden Bandes dazu, unerwünschte Abschirmungsströme zu vermindern, die sonst in der Spulenstruktur der Leiterbahnanschlüsse induziert werden könnten und zweitens können sie dazu dienen, die Induktanz der Leiterbahnanschlüsse zu vermindern. Die Wirkung der Leiterbahninduktanz auf die Leistung des Gradiometers wird nachstehend in größerem Detail erläutert. Schließlich können die Grundflächen der zusätzlichen supraleitenden Bänder dazu verwendet werden, falls notwendig, eine Balance oder eine Angleichung der Äquivalentflächen der primären Tastspulen zu ermöglichen, beispielsweise durch verschieben der zusätzlichen bedeckenden supraleitenden Grundbänder, so dass eine angemessene Fläche der Leiterbahnen dem externen Feld ausgesetzt ist, auf eine Weise, die die Äquivalentflächen der zwei äußeren Tastspulen ausbalanciert.
In bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung umfasst das flexible Substrat ein flexibles Band, das aus einer gewalzten Metalllegierung, wie Hastelloy, hergestellt ist. Vorteilshafterweise kann alternativ ein Ceraflex-Band verwendet werden. In der Vergangenheit wurden Ceraflex-Bänder nicht für HTS-Anwendungen verwendet. Die vorliegenden Erfinder haben jedoch festgestellt das Ceraflex-Band ein verbessertes Rauschverhalten gegenüber herkömmlichen Bändern, wie Hastelloy-Band, bereitstellt, unter Verbesserung des Signal-Rausch-Verhältnisses einer auf dem Band gebildeten supraleitenden Vorrichtung um vielleicht 30 %, bezogen auf Hastelloy-Band.
Eine Pufferschicht kann zwischen dem Substrat und der Tastspule angebracht werden, um beispielsweise die zweiachsige Kristallausrichtung im supraleitenden Material, aus welchem die Tastspulen gebildet sind, zu verbessern und/oder das supraleitende Material vom Substrat zu isolieren. Die Pufferschicht kann eine zweiachsig ausgerichtete Yttrium-stabilisierte Zirkoniumoxid (YSC)-Schicht umfassen. Das supraleitende Material kann YBa₂Cu₃O₇ (als YBCO abgekürzt) oder Bi_1,6Pb_0,4Sr₂Ca₂Cu₃O₁₀ (als BSCCO abgekürzt) sein. Eine Schutzschicht, wie eine Ag-Schicht kann über dem supraleitenden Material, aus welchem die Tastspulen gebildet sind, bereitgestellt werden.
In bevorzugten Ausführungsformen des fünften Aspekts der Erfindung wird ein Flusstransformator zwischen den ersten und zweiten Tastspulen bereitgestellt, um den gemessenen Fluss in eine SQUID in der Nähe des Flusstransformators zu koppeln. Beispielsweise kann ein SQUID durch herkömmliche Mittel auf einem separaten Substrat gebildet werden und als Schichtanordnung gegen den Flusstransformator montiert werden, in einer „Flip-Chip"-Anordnung, wie vorstehend beschrieben.
Alternativ kann eine SQUID auf dem flexiblen Substrat selbst gebildet werden durch Bilden eines Josephson-Anschlusses, beispielsweise über eine in das Substrat geätzte Schrittkante.
Bisher wurden flexible HTS-Bänder hauptsächlich für Energieübertragungszwecke in Betracht gezogen. Daher ist beabsichtigt, dass eine relativ dünne supraleitende Schicht von vielleicht 50-500 nm in der vorliegenden Erfindung verwendet werden kann, im Gegensatz zu dickeren energietragenden supraleitenden Schichten.
Kurze Beschreibungen der Zeichnungen
Nur zur beispielhaften Veranschaulichung werden bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung unter Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, wobei:
1 ein HTS-Gradiometer gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht;
2 ein Magnetfelddetektionselement gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung veranschaulicht;
3 ein Magentfelddetektionselement gemäß einer dritten Ausführungsform der Erfindung veranschaulicht;
4(a) bis 4(c) ein HTS-Gradiometer gemäß einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht;
5 die Veränderung des Magnetometerstroms und der Gradientensensitivität mit einer Leiterbahninduktanz von 20 nH veranschaulicht;
6 die Veränderung des Magnetometerstroms und der Gradientensensitivität mit einer Leiterbahninduktanz von 5 nH veranschaulicht und
7 die Veränderung des Magnetometerstroms und der Gradientensensitivität mit einer Leiterbahninduktanz von 0,5 nH veranschaulicht.
Beschreibung der Erfindung
1 veranschaulicht ein bei hoher Temperatur supraleitendes (HTS) axiales Gradiometer 10 gemäß einer Ausführungsform von sowohl dem ersten als auch dem fünften Aspekt der vorliegenden Erfindung. Das axiale Gradiometer umfasst ein flexibles Hastelloy-Band 11, welches als Substrat für supraleitende Elemente des Gradiometers dient. Eine Pufferschicht aus YSZ wurde über einer Oberfläche des Hastelloy-Bandes gezüchtet, um die zweiachsige Ausrichtung des über den YSZ gebildeten YBCO zu verstärken. Eine erste Tastspule 12, gebildet aus YBCO, wird in der Nähe zu einem Ende des Bandes 11 bereitgestellt, und eine zweite Tastspule 13, ebenso aus YBCO gebildet, wird in der Nähe des entgegengesetzten Endes des Bandes 11 bereitgestellt. Die Tastspulen sind miteinander durch Leiterbandanschlüsse 14 und Flusstransformator 15 auf eine Weise verbunden, die Magnetfelder herkömmlicher Art, wie das Erdmagnetfeld, aufhebt, so dass nur ein Magnetfeld, dass einen Gradienten zwischen der ersten und der zweiten Tastspule aufweist, einen Stromfluss in den supraleitenden YBCO-Elementen 11, 12, 13, 14, 15 verursachen wird.
Wie ersichtlich können alle supraleitenden Elemente des Gradiometers 10 auf einer einzigen Oberfläche des Bandes 11 gefertigt werden, und können gebildet werden während sie in einer einzigen Fläche positioniert sind unter Verwendung von planaren Abscheidungstechnologien, siehe 1b. Ferner können aufgrund der Flexibilität des Hastelloy-Bandes die ersten und zweiten Tastspulen 11, 13 sobald sie hergestellt sind axial ausgerichtet und in wesentlichen parallelen Flächen mit einem Abstand positioniert werden. Eine SQUID, nicht gezeigt, kann dann als Kernverbund an das Hastelloy-Band 11 montiert werden, so dass es sich in unmittelbarer Nähe zum Flusstransformator 15 befindet, um die magnetische Koppelung zwischen der SQUID und dem Flusstransformator 15 zu maximieren. Wenn daher Strom im Flusstransformator 15 durch ein magnetisches Feld mit einem Gradienten zwischen der ersten und zweiten Tastspule 12, 13 induziert wird, wird der im Flusstransformator 15 zirkulierende Strom ein anderes Magnetfeld induzieren, dass an die SQUID zur Detektion gekoppelt wird.
Unter Verwendung von nur einem einzigen SQUID ermöglicht die vorliegende Erfindung Konstruktion eines HTS-Gradiometers, dass nicht an den Nachteilen leidet, die mit Messungen einhergehen, die auf Messergebnissen aufbauen, die mit zwei verschiedenen SQUID mit verschiedenen inhärenten Kennzeichen gewonnen wurden. Ferner ermöglicht die vorliegende Erfindung unter Verwendung eines flexiblen Hastelloy-Bandes oder der Gleichen die Konstruktion eines einzelnen SQUID-HTS-Gradiometers, die als flexible HTS-Stromkreise auf einem solchen Substrat gebildet werden können.
2 veranschaulicht ein Magnetfelddetektionselement 20 gemäß einer Ausführungsform des ersten Aspekts der vorliegenden Erfindung. Das Magentfelddetektionselement 20 umfasst eine erste Tastspule 21, einen Flusstransformator 22 und eine zweite Tastspule 23, die nicht sichtbar ist, aber gleiche Dimensionen aufweist wie die Tastspule 21. Die Tastspulen 21 und 23 und der Flusstransformator 22 sind auf einem flexiblen Substrat, umfassend ein Ceraflex-Band 25, gebildet. Eine Pufferschicht aus YSZ (nicht gezeigt) ist über dem Band 25 gebildet, und die Tastspulen 21, 23 und der Flusstransformator 22 sind aus YBCO gebildet, das über der Pufferschicht abgeschieden ist. Leiterbahnen 24 verbinden die Tastspulen 21, 23 mit dem Flusstransformator 22.
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist das flexible Substrat 25 so angeordnet, dass die erste Tastspule 21 in einer ersten Fläche angeordnet ist, die im wesentlichen senkrecht zu einer zweiten Fläche ist, in welcher die zweite Tastspule 23 angeordnet ist. Wie bei 26, 27 angezeigt, treffen sich die Normalen der Flächen, in denen die Tastspulen 21, 23 angeordnet sind, im wesentlich in einem 90°-Winkel.
Wenn demgemäß ein magnetischer Dipol mit zufälliger Orientierung dort platziert wird, wo sich die Normalen 26, 27 treffen, ist es wahrscheinlicher, dass das magnetische Detektionselement 20 den magnetischen Dipol detektieren kann als bei herkömmlichen Anordnungen, in denen eine Tastspule in nur einer Ebene bereitgestellt ist. Wenn beispielsweise der magnetische Dipol entlang der Achse 27 ausgerichtet ist, wird das Feld des Dipols stark mit der Tastspule 23 koppeln, aber wird nicht stark in die Tastspule 21 koppeln. Wenn der magnetische Dipol entlang der Achse 26 ausgerichtet ist, wird das Feld des Dipols stark in die Tastspule 21 koppeln, aber wird nicht stark in die Tastspule 23 koppeln. Wenn der Dipol um 45° auf jede Achse 26, 27 ausgerichtet ist, wird das Feld des Dipols mit gleicher Stärke in jede Tastspule koppeln.
Wenn ein Feld in eine oder beide Tastspulen 21, 23 koppelt wird Strom induziert. Dieser Strom gelangt zum Flusstransformator 22, der vorzugsweise so beschaffen ist, dass er die magnetische Koppelung zu einer SQUID (nicht gezeigt), die als Kernverbund auf das Band 25 montiert ist, maximiert. Die Detektion des Magnetfeld des Dipols kann dann mit hoher Empfindlichkeit durch die SQUID ausgeführt werden.
3 veranschaulicht ein Magnetfelddetektionselement 30 gemäß einer anderen Ausführungsform des ersten Aspekts der vorliegenden Erfindung. Das Element 30 umfasst eine erste Tastspule 31, einen Flusstransformator 32 und eine zweite Tastspule 33. Die Tastspule 31 schneidet einen Winkel Θ von mehr als 90°. Folglich wird ein magnetischer Dipol, der irgendwo entlang einer Achse innerhalb des Winkels O ausgerichtet ist relativ stark durch die Tastspule 31 koppeln. Ähnlich wird ein magnetischer Dipol, die irgendwo mit einer Achse innerhalb des Winkels (nicht gezeigt), den die Tastspule 33 schneidet, ausgerichtet ist relativ stark durch die Tastspule 33 koppeln. Eine stärkere Koppelung wird einen größeren Strom in den Tastspulen 31, 33 induzieren und daher ein stärkeres Signal für die Detektion durch eine SQUID, die als Kernverbund über dem Flusstransformator 32 montiert ist, bereitstellen.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird in den 4(a) bis 4(c) ein HTS-Gradiometer 40 gezeigt. 4(a) zeigt eine erste Tastspule 42, eine zweite Tastspule 44 und einen Flusstransformator 46. Jede der Pick-up Spulen 42, 44 sind über entsprechende Leiterbahnen/Anschlüsse 48 und 50 direkt an eine zweite Spule des Flusstransformators 46 gebunden. Jede der Tastspulen 42, 44 und der zweiten Spule des Flusstransformators 46 können jeweils aus YBCO-Material gebildet sein. Sie können jeweils auf einem flexiblen Hastelloy-Band 52 hergestellt werden, wie in den 4(b) und 4(c) als Schatten gezeigt. 4(b) zeigt das Gradiometer 40, das vor dem Biegen der Leiterbahnenbereiche 48 und 50 aufgebaut wurde. 4(c) zeigt eine Draufsicht und Seitenansicht des vollständigen axialen Gradiometers. Eine supraleitende Grundfläche 56 bedeckt jede der Leiterbahnen 48 und 50. In der Seitenansicht des Gradiometers in 4(c) sind die Grundflächen 56 und Leiterbahnen 48, 50 gekrümmt mit einem Radius r gezeigt.
Die erste Tastspule 42 weist interne Dimensionen d_p1, d_p2, und externe Dimensionen D_p1, D_p2 auf. Die zweite Tastspule 44 weist ähnliche Dimensionen als die erste Tastspule 42 auf, und die Sekundärspule des Flusstransformators 46 weist eine interne Länge D_s und eine externe Länge T_s auf. Eine SQUID kann als Kernverbund an das Hastelloy-Band 52, dessen Tastspule 54 in großer Nähe zur Sekundärspule des Flusstransformators 46 gezeigt ist, montiert werden, um eine magnetische Koppelung dazwischen zu erreichen. Die Tastspule 54 des Magnetometers weist eine Induktanz L_M und eine Fläche AM auf, die Sekundärspule des Flusstransformators weist eine Induktanz L_S und eine wirksame Fläche A_S auf. Jede der Tastspulen 42 und 44 weist jeweils eine Induktanz L₁, L₂ und wirksame Flächen A₁ und A₂ auf.
In 4(c) ist das Gradiometer mit jeweils den Tastspulen 42 und 44 in parallelen Flächen gezeigt, die von den Leiterbahnen 48, 50, die mit einer radialen Krümmung r gebogen sind, um einen Abstand d beabstandet ist. Magnetfeld B_Z ist normal zu der SQUID und dem Flusstransformator 46 gezeigt, während das auf die erste Tastspule 42 einwirkende Magnetfeld B_x1 – B_x + (d/2)g_xx ist und das auf die zweite Tastspule 44 einwirkende Magnetfeld B_x2 – B_x – (d/2)g_xx ist. Wenn daher ein Strom in der Sekundärspule des Flusstransformators 46 durch ein Magnetfeld mit einem Gradienten zwischen der ersten und zweiten Tastspule 42, 44 induziert wird induziert der in der sekundären Tastspule fließende Strom ein weiteres Magnetfeld, das mit der Tastspule 54 der SQUID koppelt, was einen weiteren Strom induziert, der durch die SQUID detektiert wird.
Hinsichtlich des Designs des axialen Gradiometers werden die Leiterbahnbereiche gefaltet, um eine „U"-Form mit den primären Tastspulen, die auf einer gemeinsamen Achse, die senkrecht zu der Achse der SQUID ist, ausgerichtet sind, zu bilden. Da die SQUID senkrecht zum Gradienten der Tastspulen ausgerichtet ist und unter Annahme dieser Ausrichtung, ist die Vorrichtung sowohl für axiale Gradienten erster Ordnung δB_x/δ_x, die Querkomponente des Magnetfeldes B_z empfindlich. Für Anwendungen, in denen die Empfindlichkeit für B_Z vermindert werden muss kann dies durch geeignete Ausgestaltung der Sekundärenspule und der SQUID erreicht werden, um die Abschirmung des Magnetometers durch in der zweiten Tastspule induzierte Ströme sicherzustellen. Die so gebildete Tastspulenstruktur ist vom Serientyp. Dies vermindert die Magnitude des Abschirmungsstroms, der aus den Komponenten von irgendwelchen externen homogenen Magnetfeldern in der Normalfläche zu der SQUID-Achse herrührt.
Ströme in den Tastspulen werden nur durch einen Feldgradienten in der x-Richtung, und Ungleichgewichten zwischen den magnetischen Äquivalentflächen der Primärspulen, direktes Aussetzen der Leiterbahnen dem externen Feld oder durch unrichtige gegenseitige Induktanz zwischen der Sekundärspule und der SQUID induziert.
Das axiale Gradiometer kann auch so montiert werden, dass es möglich ist entweder die Gradiometervorrichtung oder die SQUID und Tastspule zusammen zu rotieren oder die Tastspule mit der SQUID stationär zu halten, um weiter Verbesserungen zur Nützlichkeit der Vorrichtung zu erzielen. Diese Verbesserungen sind:
Ein Rücken- tatsächlicher Wert des Gradientenfeldes und Magnetfeldes,
der tatsächliche Wert des Gradientenfeldes und Magnetfeldes

– stark verbesserte Gleichtaktunterdrückung von homogenen Feldern
– Echtzeitinformation über den Zustand des SQUID-Betriebs
– Wenn drei axiale Gradiometer nahezu orthogonal oder orthogonal montiert sind stellen sie miteinander allen fünf eindeutigen Komponenten des Gradiententensors erster Ordnung und die drei Komponenten des gesamten Feldes bereit
– Diese Verbesserungen können ohne die Notwendigkeit für perfekte Balance, die üblicherweise durch die physikalische Ausrichtung der Tastspulen auf dem flexiblen Band erreicht wird, erreicht werden.

Die Rotation des axialen Gradiometers aus sowohl den hier beschriebenen axialen HTS-Gradiometern und axialen LTS-Gradiometern stellt die vorstehend beschriebenen Verbesserungen bereit.
Theorie des Betriebs
Es wird ein konzentriertes Induktanzmodell angenommen, wobei alle gegenseitigen Induktanzen als vernachlässigbar betrachtet werden, ausgenommen die gegenseitige Induktanz M zwischen der Sekundärspule des Flusstransformators und dem Magnetometer. Im folgenden wird angenommen, dass das eingesetzte Magnetometer ein direkt gekoppeltes Magnetometer auf Basis einer SQUID ist. In diesem Magnetometertyp wird eine supraleitende Tastspule verwendet, um ein externes Magnetfeld zu messen. Die Induktanz und Äquivalentflächen der Magnetometertastspulen werden L_m bzw. A_m genannt. Die in diesen Spulen induzierten Ströme werden in einen SQUID-Verstärker eingespeist, der eine für minimales Flussrauschen optimierte Geometrie aufweist. Ein Magnetometer diesen Typs wird für zwei Gründe angenommen. Erstens stellen diese Vorrichtungen gegenwärtig die bestmögliche Empfindlichkeit aus Magnetometer auf HTSC-SQUID bereit, und sind deshalb wahrscheinliche Kandidaten für eine praktikable Vorrichtung. Zweitens, wie nachstehend gezeigt wird, kann die alternative Wahl eines DC oder RF-SQUID mit einem Fluss fokusierenden-Washer als ein Spezialfall der vorliegenden Theorie aufgefasst werden.
Da das Magnetometer sekundär durch eine kurz geschlossene supraleitende Spule an den Transformator gekoppelt ist wird der Fluss in dieser Spule unter Bezug auf Änderungen im externen Feld konserviert. Der Gesamtfluss in der Magnetometertastspule ist die Summe der Flüsse, die auf das externe Feld, den eigenen Abschirmungsstrom und den über die gegenseitige Induktanz M aus dem Strom I gekoppelten Fluss zurückgehen, in der Sekundärspule des Transformators. Unter der Annahme, ohne an Allgemeinheit zu verlieren, dass die Vorrichtung Nullfeld gekühlt ist (Z.F.C.) verschwindet diese Summe, d.h. BzAm – ImLm – MI = 0
Der Flusstransformator ist auch eine kurzgeschlossene supraleitende Spule, so dass erneut unter der Annahme dass es Z.F.C ist gilt Bx2A2 – Bx1A1 – IL, BzAs – ImM = 0
Wobei L die Gesamtinduktanz des Transformators ist, d.h.: L = L1 + L2 + 2Lc + Ls
L_kA_k bezeichnen die Induktanz und Äquivalentfläche der Primärspule k, (k = 1, 2), L_c ist die Induktanz in der jeweiligen Leiterbahn und L_s ist die Induktanz in der Sekundärspule.
Lösen der Gleichungen ergibt für den Magnetometerstrom
wobei A₁ = A₂ = A und
Dies kann bezüglich der Kopplungskonstante α umgeschrieben werden unter Verwendung der Standardbeziehung
Was ergibt
wobei L1 = L2 = Lp
Bedingung zum Abschirmen um die Sensitivität auf B_z zu unterdrücken:
Wenn das externe Feld homogen ist gilt g_xx = 0 und die Gleichung wird
was verschwindet wenn
Optimierung und Gradientensensitivität
Wenn dies erfüllt ist werden die Gleichungen für den Magnetometerstrom einfach
Um das Verhalten der Gleichung (1) zu studieren wird angemerkt, dass im Allgemeinen sowohl A, die Äquivalentfläche der Primärspule des Transformators, und L_p von den Dimensionen der Primärspule anhängen. Soweit dem Anmelder bekannt ist gibt es keine exakten Formen für diese Gleichungen für sowohl quadratische oder rechteckige supraleitende Strukturen, und es ist üblich auf empirische Formeln zurückzugreifen, die entweder experimentell oder durch numerische Simulation gewonnen wurden. Die folgenden empirischen Beziehungen werden verwendet, wobei d_p = (d₁ + d₂)/2 und Dp =(D1 + D2)/2 A = γpdpDp (2)wobei 0,8 ≤ γ_p ≤ 1 ungefähr konstant ist,
mit der Maßgabe, dass (Dp – dp)/2dp ≥ 0.1 = Dp > 1.2 dp
Die vorstehende Gleichung (2) ist die allgemein akzeptierte Form für die Äquivalentfläche eines quadratischen Washer [Ketchen1], wobei die Mittelwerte der inneren und äußeren Dimensionen der rechteckigen Spule verwendet werden.
Unter Verwendung dieser Beziehungen in der vorstehenden Gleichung (1) ergibt sich
In der 5, 6, 7 sind Darstellungen für drei verschiedene Werte von L_c, nämlich 20 nH, 5 nH bzw. 0,5 nH, als eine Funktion von d_p und α gezeigt. Die anderen Parameter sind wie folgt: Dp = 0,01, γp = 0,9, Lm = 5nH, Lm = 5nH, Ls = 10nH.
Wie einem Fachmann klar ist, können zahlreiche Veränderungen und/oder Modifikationen an der vorliegenden Erfindung, wie in den spezifischen Ausführungsformen gezeigt, vorgenommen werden. Beispielsweise kann eine Vorrichtung, die zu der 3 gezeigten ähnlich ist, nur eine einzelne Tastspule umfassen, die einen Winkel einschließt, um den Bereich durch die Tastspule detektierbaren magnetischen Dipolorientierungen zu erhöhen. Ferner können solche Vorrichtungen ein auf dem Band selbst hergestellte SQUID umfassen anstelle des Flusstransformators, so dass der Strom der Tastspulen direkt in die SQUID zur Detektion fließt. Ferner kann die vorliegende Erfindung in Verbindung mit der in der anhängigen PCT-Anmeldung, publiziert als WO-A-2004/015435 , angewendet werden. Die vorliegenden Ausführungsformen sind deshalb als veranschaulichend und nicht beschränkend auszulegen.

Claims

Axiales supraleitendes Gradiometer (10, 20, 30, 40) umfassend: eine erste Tastspule (12, 21, 31, 42), die eine erste Nennebene definiert und im Wesentlichen in dieser liegt; und eine zweite Tastspule (13, 23, 33,44), die eine zweite Nennebene definiert und im Wesentlichen in dieser liegt; wobei die erste Tastspule (12, 21, 31, 42) und die zweite Tastspule (13, 23, 33, 44) auf einem gemeinsamen flexiblen Substrat (11, 25, 52) ausgebildet sind, wobei die erste und zweite Nennebene im Wesentlichen parallel sind und wobei die erste und zweite Nennebene weit genug voneinander entfernt sind, damit die erste Tastspule (12, 21, 31, 42) und die zweite Tastspule (13, 23, 33, 44) wirken können, um lokale magnetische Felder von Hintergrundmagnetfeldern zu unterscheiden; und einen supraleitenden Flusstransformator (15, 22, 32, 46), der auf dem gemeinsamen flexiblen Substrat (11, 25, 52) aufgebracht und induktiv an ein Erfassungsmittel zum Erfassen von Strom gekoppelt ist, wobei der Strom entweder in der ersten Tastspule (12, 21, 31, 42) oder in der zweiten Tastspule (13, 23, 33, 44) aufgrund eines magnetischen Feldes, das durch die erste Tastspule (12, 21, 31, 42) oder die zweite Tastspule (13, 23, 33, 44) hindurchtritt, induziert ist.
Axiales supraleitendes Gradiometer (10, 20, 30, 40) nach Anspruch 1, ferner umfassend einen flexiblen Streifenleiter (14, 24, 48, 50), der sowohl die erste Tastspule (12, 21, 31, 42) als auch die zweite Tastspule (13, 23, 33, 44) mit dem Flusstransformator (15, 22, 32, 46) koppelt.
Axiales supraleitendes Gradiometer (40) nach Anspruch 2, wobei eine zusätzliche Länge eines flexiblen supraleitenden Bandes (56) jeden Streifenleiter (48, 50) bedeckt, dabei eine Grundebene ausbildend.
Axiales supraleitendes Magnetfelderfassungselement (10, 20, 30, 40) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das gemeinsame flexible Substrat (11, 25, 52) aus einem Hastelloy-Band und einem teilweise oder vollständig verfestigtem Zirconiumoxidsubstrat, wie etwa Ceraflex, ausgewählt ist.
Axiales supraleitendes Magentfelderfassungselement nach einem der Ansprüche 1 bis 4, ferner umfassend ein SQUID zum Erfassen von Strom, der aufgrund eines magnetischen Feldes, das durch die erste und zweite Tastspule (12, 13; 21, 23; 31, 33; 42, 44) läuft, in dem Flusstransformator (15, 22, 32, 46) induziert ist.
Axiales supraleitendes Magnetfelderfassungselement nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei ein minimaler Kurvenradius oder eine Verdrillung des gemeinsamen flexiblen Substrats (11, 25, 52) kontrolliert wird, um einen Schaden an dem Gradiometer zu vermeiden.
Axiales supraleitendes Magnetfelderfassungselement nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei das gemeinsame flexible Substrat (11, 25, 52) verdrillt ist, um Schaltelemente, wie etwa eine supraleitende Tastspule, in einer dritten Ebene bereitzustellen.
Verfahren zum Herstellen eines supraleitendes Gradiometer (10, 20, 30, 40), wobei das Verfahren umfasst: Ausbilden einer ersten Tastspule (12, 21, 31, 42), die eine erste Nennebene definiert und im Wesentlichen in dieser liegt; und Ausbilden einer zweiten Tastspule (13, 23, 33, 44), die eine zweite Nennebene definiert und im Wesentlichen in dieser liegt, wobei die erste Tastspule (12, 21, 31, 42) und die zweite Tastspule (13, 23, 33, 44) auf einem gemeinsamen flexiblen Substrat (11, 25, 52) ausgebildet sind, wobei die erste und die zweite Nennebene weit genug voneinander entfernt sind, damit die erste Tastspule (12, 21, 31, 42) und die zweite Tastspule (13, 23, 33, 44) lokale magnetische Felder von Hintergrundmagnetfeldern unterscheiden können, und Herstellen eines supraleitenden Flusstransformators (15, 22, 32, 46), der auf dem gemeinsamen flexiblen Substrat (11, 25, 52) aufgebracht und induktiv an ein Erfassungsmittel zum Erfassen von Strom gekoppelt ist, wobei der Strom entweder in der ersten Tastspule oder in der zweiten Tastspule (12, 13; 21, 23; 31, 33; 42, 44) aufgrund eines magnetischen Feldes, das durch die erste Tastspule oder die zweite Tastspule (12, 13; 21, 23; 31, 33; 42, 44) hindurchtritt, induziert ist.