DE69127917T2

DE69127917T2 - Hochempfindliches Magnetometer

Info

Publication number: DE69127917T2
Application number: DE69127917T
Authority: DE
Inventors: Juan Casas Cubillos; Eiichi Goto; Hideaki Nakane
Original assignee: Hitachi Ltd; Research Development Corp of Japan
Current assignee: Hitachi Ltd; Japan Science and Technology Agency
Priority date: 1990-03-15
Filing date: 1991-03-14
Publication date: 1998-02-12
Anticipated expiration: 2011-03-15
Also published as: EP0446923A2; EP0446923A3; EP0446923B1; DE69127917D1; US5252921A; JPH03264874A

Description

Die Erfindung betrifft Magnetometer, bei denen ein supraleitender quanten-interferometrischer Detektor oder ein Quanteninterferometer (SQUID-Detektor) verwendet wird, und insbesondere Magnetometer, durch die ein sehr schwacher Magnetfiuß oder magnetischer Induktionsfluß mit geringem Rauschanteil und hoher Empfindlichkeit erfaßt werden kann.
Es wurden Magnetometer vorgeschlagen, bei denen jeweils ein SQUID-Detektor verwendet wird, der eine supraleitende Schleife mit einem oder mehreren Josepbson-Übergängen aufweist (vergl. z.B. IEEE. Trans. Devices, ED27, Nr. 10 (1980), Seiten 1896-1908). Die Magnetometer können sehr schwache Magnetflüsse erfassen und zum Erfassen biologischer Magnetfelder, im Bereich der Geophysik, der meßtechnischen Erfassung natürlicher Ressourcen usw. verwendet werden.
In der US-A-4280095, aus der die Präambel von Patentanspruch 1 hergeleitet ist, wird ein SQUID-Detektor beschrieben, der als in zwei Ebenen angeordnete Doppelspiralenanordnung konstruiert ist, d.h. als geschichtet angeordnete SQUID-Struktur. Die SQUID-Detektorempfindlichkeit an jedem Abtastpunkt wird durch eine enge koaxiale Überlagerung von zwei oder mehr Doppelübergang-Gleichstrom- (DC) SQUID- Schleifen erhöht. Dieses US-Dokument betrifft außerdem die Verwendung einer zweiten Doppelspirale mit der gleichen Anzahl von Schleifen, die mit der ersten Doppelspirale koaxial ineinandergreifend angeordnet ist. Die Kopplungskonstante zwischen den beiden Doppelspiralen ist für das Signal positiv und für Rauschen negativ, so daß die Signalspannung wesentlich erhöht und die Rauschspannung wesentlich vermindert wird.
In der EP-A-0210489 wird ein Magnetometer mit einer Eingangswicklung für einen Neigungsmesser beschrieben, wobei ein Paar Wicklungen Komponenten einer asymmetrischen Rauschoder Störspannung oder eine Gleichtaktstörung des Umgebungsmagnetfeldes kompensieren, bevor sie in Spannungen umgewandelt werden. Insbesondere ist nur ein betrieblich angeschlossener Gleichstrom- (DC) SQUID-Detektor vorgesehen. In der EP-A-0210489 wird außerdem ein Neigungsmesser beschrieben, der aus zwei entgegengesetzt gewickelten Wicklungen besteht, die den beiden SQUID-Detektoren Magnetfluß- Eingangssignale zuführen.
Es wurde gewünscht, daß durch das SQUID-Magnetometer Magnetflüsse mit hoher Empfindlichkeit und geringem Rauschanteil erfaßt werden. Daher ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Empfindlichkeit eines SQUID- Magnetometers zu verbessern und sein äquivalentes Eingangsrauschen zu vermindern.
Diese Aufgabe wird durch das hochempfindliche Magnetometer mit zwei SQUID-Detektoren nach Patentanspruch 1 gelöst.
Als SQUID-Detektor wird ein Gleichstrom- (DC) SQUID- Detektor mit einer supraleitenden Schleife mit zwei oder mehr Josephson-Übergängen verwendet.
Durch das erfindungsgemäße Magnetometer werden durch jeden SQUID-Detektor innerhalb der SQUID-Schleifen vorhandene Magnetflußrauschanteile wechselseitig erfaßt. Diese Rauschanteile erzeugen Ausgangsspannungen über jeden SQUID- Detektor. Diese Spannungen können jedoch destruktiv addiert werden. Dadurch werden die Magnetflußrauschanteile kompensiert. Für Signale werden dagegen die Spannungen konstruktiv addiert. Dadurch erzeugen die Signale im Vergleich zu dem Fall, wenn nur ein SQUID-Detektor verwendet wird, große Ausgangsspannungen mit einer höheren Ausgangsimpedanz.
Fig. 1 zeigt ein Schaltungsdiagramm eines Beispiels der vorliegenden Erfindung; und
Fig. 2 zeigt eine graphische Darstellung eines Zusammenhangs zwischen Magnetflußrauschanteilen und Ausgangsspannungen bezüglich der gemeinsamen Masse ("4" in Fig. 1) für das Beispiel von Fig. 1.
Nachstehend wird ein Beispiel der Erfindung unter Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben. Fig. 1 zeigt ein Schaltungsdiagramm eines erfindungsgemäßen Magnetometers. In diesem Beispiel sind die SQUID-Detektoren Gleichstrom- (DC) SQUID-Detektoren 1 und 1', die aus zwei supraleitenden Filmen oder Schichten und einer dazwischen angeordneten Isolierschicht hergestellt sind.
Die DC-SQUID-Detektoren 1 und 1' werden jeweils gebildet, indem supraleitende Schichten 2 und 2' durch zwei Josephson-Übergänge 3 und 3' mit einer anderen supraleitenden Schicht 4 verbunden werden. In der Nähe der supraleitenden Schichten 2 und 2' der DC-SQUID-Detektoren 1 und 1' sind Eingangswicklungen 5 und 5' mit einander entgegengesetzten Wicklungsrichtungen angeordnet. Diese Eingangswicklungen 5 und 5' sind in Serie geschaltet, um eine Schleife zu bilden, und ein Anschluß 6 ist aus dem Mittelpunkt der Schleife herausgeführt. Wenn durch eine Sondenspule aufgenommene Signale über den Anschluß 6 der Eingangswicklungen eingegeben werden, werden diese Signale gleichmäßig geteilt und den Eingangswicklungen 5 und 5' zugeführt. Weil die Wicklungsrichtungen der Wicklungen 5 und 5' entgegengesetzt sind, ist der magnetische Fluß durch die entsprechenden DC-SQUID- Detektoren entgegengesetzt. Die Ausgangssignale des Magnetometers werden über die Anschlüsse 7 und 7' als Ausgangsspannungen der beiden DC-SQUID-Detektoren abgenommen. Den DC- SQUID-Detektoren 1 und 1' werden Vorspannungs- oder Vormagnetisierungsstrome von zwei Gleichstromquellen 8 und 8' über Anschlüsse 9, 9' und 9" zugeführt. Die Richtungen der Vorspannungs- oder Vormagnetisierungsströme werden so eingestellt, daß an den Anschlüssen 7 und 7' Spannungen mit bezüglich dem Anschluß 4 entgegengesetzten Polaritäten erzeugt werden. Die Bezugszeichen 10 und 10' bezeichnen Wicklungen für eine Rückkopplungsmodulation oder zusätzliche Eingangswicklungen.
Beim Magnetometer mit dem vorstehend beschriebenen Aufbau können die Magnetflußrauschanteile in den DC-SQUID- Detektoren 1 und 1' durch die Magnetflußtransmittanz zwischen den Eingangswicklungen 5 und 5' entfernt werden. Hierbei ist bevorzugt, daß die Kopplungen zwischen den SQUID- Detektoren 1 und 1' und den Eingangswicklungen 5 und 5' enge-Kopplungen sind. Die Magnetflußrauschanteile werden wie vorstehend beschrieben entfernt.
Fig. 2 zeigt eine Kennlinie zum Darstellen des Zusammenhangs zwischen dem magnetischen Fluß und Detektorspannungen beim in Fig. 1 dargestellten Beispiel. Die Kurven A und B zeigen die Ausgangsspannungen des SQUID-Detektors 1 bzw. des SQUID-Detektors 1' bezüglich einer Referenzspannung am Anschluß 4. Die DC-SQUID-Detektoren müssen auf einen Betriebspunkt vorgespannt werden, bei dem durch einen am Eingang zugeführten Fluß eine Spannungsänderung über die Anschlüsse 7-7' erzeugt wird. Ein Beispiel, wie das Magnetometer vorgespannt werden kann, ist in Figur 2 dargestellt. Der SQUID-Detektor 1 ist durch ΦbiasA und der SQUID-Detektor 1' durch ΦbiasB vorgespannt.
Die jeweiligen, einem Magnetflußrauschanteil Φn in den SQUID-Detektoren 1 und 1' entsprechenden Ausgangssignale, sind durch n und n' bezeichnet. Durch Messen der Spannung über die Anschlüsse 7 und 7' werden die Spannungen n und n' (die durch den Magnetflußrauschanteil Φn erzeugten Spannungen) kompensiert.
Der Signal-Magnetfluß ΦS wird den SQUID-Detektoren dagegen in entgegengesetzten Richtungen zugeführt. Durch Messen der Spannung über die Anschlüsse 7 und 7' werden die Signalspannungen S und S' konstruktiv addiert, so daß ein im Vergleich zu dem Fall, wenn ein einzelner DC-SQUID-Detektor verwendet wird, großer Ausgangsspannungshub und eine große Ausgangsimpedanz erhalten werden.
Erfindungsgemäß können hochempfindliche Magnetqmeter realisiert werden. Dadurch können wesentliche Vorteile, z.B. für Diagnoseanwendungen unter Verwendung biologischer Magnetfeldmessungen und bei der magnetischen Überwachung von Produkten, erhalten werden.

Claims

1. Hochempfindliches Magnetometer mit zwei SQUID Detektoren (1, 1'), die jeweils eine supraleitende Schleife (10, 10') mit Josephson-Übergängen (3, 3') aufweisen, wobei das Magnetometer außerdem eine Eingangswicklung in der Form einer ununterbrochenen Schleife aufweist, die mit einem Eingangsanschluß (6) verbunden ist, an dem durch eine Sondenspule aufgenommeine Signale eingegeben werden, wobei die SQUID- Detektoren Gleichstrom-SQUID-Detektoren sind, die jeweils zwei Josephson-Übergänge (3, 3') und jeweils einen Ausgangsanschluß (7, 7') auf Abschnitten der supraleitenden Schleife (10, 10') aufweisen, die durch die Josephson-Übergänge getrennt sind, so daß das äquivalente Eingangsrauschen der beiden SQUID-Detektoren reduziert wird und die den beiden SQUID-Detektoren zugeführten Magnetfluß-Eingangssignale als konstruktive Addition der Ausgangsspannungen der beiden SQUID-Detektoren (1, 1') erfaßt werden;

dadurch gekennzeichnet, daß

a) die Eingangsspule sich in zwei entgegengesetzt gewickelte Abschnitte (5, 5') verzweigt, die den jeweiligen SQUID-Detektoren (1, 1') zugeordnet sind, um den beiden SQUID-Detektoren Magnetfluß-Eingangssignale zuzuführen;

b) die Ausgangsspannungen zwischen den entsprechenden Ausgangsanschlüssen (7, 7') erzeugt werden; und

c) die SQUID-Detektoren (1, 1') jeweils so vorgespannt sind, daß sie an den Ausgangsanschlüssen (7, 7') Spannungen mit entgegengesetzten Polaritäten bezüglich einer Referenzspannung an einem zwischen den beiden SQUID-Detektoren (1, 1') angeordneten Anschluß (4) aufweisen.

2. Hochempfindliches Magnetometer nach Anspruch 1, wobei die SQUID-Detektoren supraleitende Schichten (2, 2'; 4) aufweisen.