DE8911237U1 - Sensor zum Messen von magnetischem Fluß - Google Patents

Description

Kernforschungsanlage Julien Gesellschaft mit beschränkter Haftung

Beschreibung Sensor zum Messen von magnetischem Fluß

Die Erfindung bezieht sich auf einen Sensor zum Messen von magnetischem Fluß, bestehend aus supraleitend-;·.. Ring m_t inkorporiert-s!» Josephsonelement, der an einen elektrischer« Schwingkreis angekoppelt O _ist.

Bei derartigen Sensoren ist der supraleitende Ring mit inkorporiertem Josephsonelement in Dünnfilmtechnik hergestellt, wobei Ring und Josephsonelement dirch Aufdampfen oder Kathodenzerstäubung als dünne Schicht auf einem Substrat, welches möglichst niedrige dielektrische Verluste aufweist, aufgebracht 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 Resonanzfrequenz f angekoppelt, in welchen wiederum ein Hochfrequenzstrom 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

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ba/stu

gesteigert werden kann, wenn die Betriebsfrequenz des Tankkreises vergrößert wird. Zu höheren Frequenzen hin (f > 500 Mhz) bereitet jedoch die Realisierung von TsnVkreisen aus diskreten Bauelementen, wie Spule und .,ondensator, Schwierigkeiten, und auch die Kopplung zwischen Tankkreis und dem supraleitenden Ring sinkt wegen der mit zunehmendei Frequenz geringer werdenden Induktivität der Tankkreisspule auf zu geringe Werte ab.

Es ist Aufgabe der Erfindung, einen Sensor zu

' schaffen, der mit höherer Frequenz als die bisher

bekannten Sensoren dieser Art bei zumindest gleich guter Kopplung zwischen Tankkreis und dem das Josephsonelement enthaltenden, supraleitenden Ring betrieben werden kann.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch einen Sensor mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst ,

Beim erfindungsgemäßeü Sensor sind supraleitender Ring und Tankkreis ein Bauteil. Dieses besteht aus dem Streifenresenator, wobei der Streifenr«;son&tor

Q selbst den Tankkrais und die Begrenzung d&r Öffnung

den supraleitenden Ring, in den das Josephsonelement inkorporiert ist, bildet. Der supraleitende Ring bildet sich somit quasi erst während des Betriebs des Sensors ai:s.

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

Für den Betrieb des 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 Frequenz gearbeitet werden, so ist der Streifenresonator so auszulegen, daß seine elektrische Lange 1 einem ungeraden Vielfachen der Halbwellenlänge der Betriebsfreauenz entsprächt

Um den supraleitenden Ri/ig mit inkorporiertem Josephsonelement möglichst günstig im Streifenresonator zu plazieren, wird er zv/eckmäßigerv/eise an einer Stelle maximalem Stromflusses im Streifenresonator angeordnet.

Es ist ferner für eine gute Ankopplung des Streifenresonators an die zum Betrieb des Sensors erforderliche Raumtemperaturelektronik zweckmäßig, daß das für diese Ankopplung vorgesehene weitere Stück Streifenleitung in der Nähe eines im Streifenresonator sich bildenden Spannungsbauchas angeordnet ist.

Die bisher beschriebene Version des erfindungsgenäßen Sensors eignet sich in gleicher Weise wie bisher bekannte Sensoren dieser Art - allerdings mit höherer Empfindlichkeit - zur Messung der Änderung eines Magnetflusses. Dabei handelt es sich in der Regel nicht um Absolutmessungen. Vielmehr stellt man mit Sensoren dieser Art nur eine Änderung des Magnetflusses fest, entweder, indem -j. man den Sensor bewegt oder indem man das Magnetfeld | verändert. Ein - im Meßbereich - homogenes Magnet- ^&tgr;

feld ist dann daran zu erkennen, daß es keine relative Änderung des Magnetflusses zu messen gestattet.

Will man dagegen einen am Ort des Sensors inhomogenen Magnetfluß feststellen und dabei den Einfluß eines überlagernden homogenen Magnetflusses, der beispielsv/eise von in der Nähe befindlichen Störquellen herrühren kann, ausschalten, so bietet sich vorteilhaft eine Version dos erfindungsgemäßen Sensors an, bei dem längs der Mittel- bzw. Längsachse des Streifenresonators hintereinander angeordnete Öffnungen mit dazwischen befindlichem Josephsonelement vorgesehen sind, wobei der Streifenresonator im Bereich der Öffnungen sowohl in Bezug auf die Öffnungen als auch in Bezug auf seine Mittel- bzw. Längsachse unsymmetrisch ausgebildet ist.

Die Unsymmetrie des Streifenresonators im Bereich der Öffnungen dient dazu, einen Hochfrequenzstrom im Josephsonelement zu erzeugen. Sie kann beispielsweise dadurch realisiert werden, daß der Streifenresonator an einer der Öffnungen eine seitliche Aussparung und damit an dieser Stelle eine Verengung 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 bzv/. zu messen.

Ausgestaltungen dieser zweiten Version des Sensors gemäß der Erfindung v/eisen die Merkmale der Ansprüche B bis 9 auf.

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 Wärmeleitung besteht. Dadurch kann durch die im Josephsonelement 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 die beiden Versionen des Sensors gemäß der Erfindung schematisch dargestellt und im folgenden näher erläutert:

Es zeigen

Figur 1 die Version des Sensors mit einer

Öffnung;
Figur 2 die Version des Sensors mit zwei

Öffnungen.

Dis in Figur 1 dargestellte, einfache Version des Sensors besteht aus dem Streifenresonator 1,

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darin integrierten Öffnung 2 mit dem sie umgebenden supraleitenden 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 Streifenrescnators 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 1 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.

Die in Figur 2 dargestellte Sensorversion 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 Streifenresonator 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 (10)

Kernforsch jngsanlage Jiilich Gesellschaft mit beschränkter Haftung Schutzansprüche

1. Sensor zum Messen von magnetischem Fluß, bestehend aus supraleitendem Ring mit inkorporiertem Josephsonelement, der an einem elektrischen Schwingkreis angekoppelt ist,

dadurch gekennzeichnet, daß der elektrische Schwingkreis aus einer, einen Resonator für stehende elektrische Wellen bildenden Stück Streifenleitung (1) besteht, in der sich eine für den zu messenden Magnetfluß vorgesehene Öffnung (2) mit angrenzendem Josephsonelement (3) befindet, so daß der supraleitende Ring in den Streifenresonator (1) integriert ist, wobei das Josephsonelement längs der Mittel- bzw. Längsachse des Streifenresonators liegend angeordnet ist und daß zur kapazitiven Ankopplung des Streifenresonators (1) an eine Auswerteelektronik ein am Streifenresonator anliegendes weiteres Stück Streifenleitung (4) vorgesehen ist.

2. Sensor nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet, daß die elektrische Länge 1 des Streifenresonators (1) einem ungeraden Vielfachen der halben Wellenlänge der Betriebs frequenz entspricht.

3. Sensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Josephsonelement (3) an einer Stelle maximalen Stromflusses im Streifnnrssonator (1) angeordnet ist.

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4. Sensor nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das weitere Stück Streifenleitung (4) in der Nähe eines im Streifenresonator (1) sich bildenden Spannungsbauches angeordnet ist.

5. Sensor zum Messen von magnetischem Fluß_t bestehst ?us supraleitendem Ring mit inkorporiertem Josephson· element, der an einen elektrischen Schwingkreis angekoppelt ist..

dadurch gekennzeichnet.

v' daß der elektrische Schwingkreis aus einer, einen

Resonator für stehende elektrische Wellen bildenden Stück Streifenleitung (1) besteht, in der zur Messung inhomogener Magnetflüsse zwei gleiche, längs der Mittel- bzw. Längsachse des Streifenresonators (1) hintereinander angeordnete Öffnungen (2a, 2b) mit dazwischen befindlichem Josephsonelement (3) vorgesehen sind, so daß der jeweilige supraleitende Ring in den Streifenresonator (1) integriert ist, daß der Streifenresonator im Bereich der Öffnungen sowohl in Bezug auf die Öffnungen als auch in Bezug auf seine Mittel- bzw.

/ Längsachse unsymmetrisch ausgebildet ist und daß

zur kapazitiven Ankopplung des Streifenresonators (1) an eine Auswerteelektronik ein am Streifenresonator anliegendes weiteres Stück Streifenleitung (4) vorgesehen ist.

6. Sensor nach Anspruch 5,

dadurch gekennzeichnet, daß die öffnungen (2a, 2b) symmetrisch zur Mittelbzw. Längsachse des StreifenresonaLors (1) angeordnet sind

I · · t I I f t I I

• ·

• ·

7. Sensor nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrische Länge 1 des Streifenresonat,">rs (1) einem ungeraden Vielfachen der halben Wellenlänge der Betriebsfrequenz entspricht.

8. Sensor nach Anspruch 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Josephsoneiement (3) an e±njc Stelle maximalen Stromflusses .im Streifenr.esonator (1) ancror net ist.

9. Sensu:, nach Anspruch 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das weitere Stöes. Streifenleitung (4) in der Nähe eines im Streifenresonatoi (1) sich bildenden Spanrvjngsbauches angeordnet ist.

10. Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß bei einem als Mikrobrücke ausgebildeten Josephsonelement (3) der Teil des Substrats unterhalb des JosephsOiielements aus einem Material mit

, möglichst geringer Wärmeleitung besteht.

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