DE8911237U1

DE8911237U1 - Sensor for measuring magnetic flux

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Publication number: DE8911237U1
Application number: DE8911237U
Authority: DE
Original assignee: Kernforschungsanlage Juelich GmbH
Current assignee: Forschungszentrum Juelich GmbH
Priority date: 1989-09-21
Filing date: 1989-09-21
Publication date: 1989-11-02

Description

Kernforschungsanlage Julien Gesellschaft mit beschränkter HaftungJulien Nuclear Research Facility Limited liability company

BeschreibungDescription Sensor zum Messen von magnetischem FlußSensor for measuring magnetic flux

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.The invention relates to a sensor for measuring magnetic flux, consisting of a superconducting ring with an incorporated Josephson element which _is coupled to an electrical oscillating circuit.

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.In such sensors, the superconducting ring with incorporated Josephson element is manufactured using thin-film technology, whereby the ring and Josephson element are applied by vapor deposition or cathode sputtering as a thin layer on a substrate that has the lowest possible dielectric losses.

Zum Betrieb dieser bekannten Sensoren werden sie im allgemeinen an einen elektrischen Parallel-To operate these known sensors, they are generally connected to an electrical parallel

/"·» schwingkreis, im folgenden Tankkreis genannt, der/"·» oscillating circuit, hereinafter referred to as tank circuit, which

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.can also be superconducting, with resonance frequency f, into which a high-frequency current with the same frequency f is impressed. The superconducting ring dampens the tank circuit, whereby the magnitude of the damping depends on the magnetic flux through the superconducting ring. This changes the voltage drop across the tank circuit, which is used to read the sensor.

Es ist ferner bekannt, daß das Eigenrauschen dieser Sensoren und damit deren maximale EmpfindlichkeitIt is also known that the inherent noise of these sensors and thus their maximum sensitivity

PT 1.0982 GMPT 1.0982 GM

ba/stuba/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.can be increased if the operating frequency of the tank circuit is increased. However, at higher frequencies (f > 500 MHz), the realization of TsnV circuits from discrete components, such as coils and capacitors, presents difficulties, and the coupling between the tank circuit and the superconducting ring also drops to too low values due to the inductance of the tank circuit coil decreasing with increasing frequency.

Es ist Aufgabe der Erfindung, einen Sensor zuIt is the object of the invention to provide a sensor

' schaffen, der mit höherer Frequenz als die bisher ' , which will be available at a higher frequency than the

bekannten Sensoren dieser Art bei zumindest gleich guter Kopplung zwischen Tankkreis und dem das Josephsonelement enthaltenden, supraleitenden Ring betrieben werden kann.known sensors of this type can be operated with at least equally good coupling between the tank circuit and the superconducting ring containing the Josephson element.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch einen Sensor mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst ,This object is achieved according to the invention by a sensor having the features of claim 1,

Beim erfindungsgemäßeü Sensor sind supraleitender Ring und Tankkreis ein Bauteil. Dieses besteht aus dem Streifenresenator, wobei der Streifenr«;son&torIn the sensor according to the invention, the superconducting ring and tank circuit are one component. This consists of the strip resistor, whereby the strip resistor

Q selbst den Tankkrais und die Begrenzung d&r ÖffnungQ itself the tank circle and the limitation of the opening

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.the superconducting ring in which the Josephson element is incorporated. The superconducting ring is thus only formed during operation of the sensor 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.Because the Josephson element is arranged along the longitudinal axis of the strip resonator, the current required for measuring the magnetic fluxes flows through it - provided a sufficiently high high-frequency current is fed in.

Für den Betrieb des Sensors ist die Resonanz- ,For the operation of the sensor, the resonance,

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 entsprächtfrequency that forms standing waves in the strip resonator. This can be done - if the strip resonator is initially of any length - by finding or setting the resonance frequency. However, if a specific frequency is to be used, the strip resonator must be designed so that its electrical length 1 corresponds to an odd multiple of the half-wave length of the operating frequency.

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.In order to place the superconducting ring with incorporated Josephson element as favorably as possible in the strip resonator, it is arranged diagonally at a point of maximum current flow in the strip resonator.

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.It is also advisable for a good coupling of the strip resonator to the room temperature electronics required for the operation of the sensor that the additional piece of strip line intended for this coupling is arranged near a voltage belly that forms in the strip resonator.

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; The version of the sensor according to the invention described so far is suitable for measuring the change in a magnetic flux in the same way as previously known sensors of this type - although with greater sensitivity. These are not usually absolute measurements. Rather, sensors of this type only detect a change in the magnetic flux, either by moving the sensor or by changing the magnetic field |. A homogeneous magnetic ^{field in the measuring range.}

feld ist dann daran zu erkennen, daß es keine relative Änderung des Magnetflusses zu messen gestattet.field can then be recognized by the fact that it does not allow any relative change in the magnetic flux to be measured.

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.If, on the other hand, one wants to detect an inhomogeneous magnetic flux at the location of the sensor and thereby eliminate the influence of a superimposed homogeneous magnetic flux, which can, for example, arise from sources of interference located nearby, then a version of the sensor according to the invention is advantageous in which openings arranged one behind the other along the central or longitudinal axis of the strip resonator with a Josephson element located between them are provided, whereby the strip resonator is designed to be asymmetrical in the area of the openings both in relation to the openings and in relation to its central or longitudinal axis.

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.The asymmetry of the strip resonator in the area of the openings serves to generate a high-frequency current in the Josephson element. This can be achieved, for example, by having a lateral recess in one of the openings and thus a constriction at this point. The resulting current flow in this constriction in the strip resonator is different from that at the corresponding point near the other opening, i.e. the current distribution along the two openings is different. This leads to a resulting current through the Josephson element.

Damit ist es zugleich möglich, einen im Bereich der beiden Öffnungen inhomogenen Magnetfluß bzw.This also makes it possible to detect an inhomogeneous magnetic flux or magnetic field in the area of the two openings.

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.to recognize or measure a magnetic flux that changes differently in this measuring range in relation to the two openings, for example in the case of changing brain waves.

Ausgestaltungen dieser zweiten Version des Sensors gemäß der Erfindung v/eisen die Merkmale der Ansprüche B bis 9 auf.Embodiments of this second version of the sensor according to the invention comprise the features of claims B to 9.

Eine weitere Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Sensors besteht ferner darin, daß bei einem als '..' Mikrobrücke ausgebildeten Josephsonelement derA further embodiment of the sensor according to the invention consists in the fact that in a Josephson element designed as a '..' microbridge, the

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.Part of the substrate beneath the Josephson element is made of a material with the lowest possible thermal conductivity. This means that the critical current of the Josephson element can be reduced to more favourable values by the heat generated in the Josephson element through dissipation if the period of the operating frequency of the sensor is small compared to the time in which the heat generated in the Josephson element can be transported away through thermal conduction.

In der Zeichnung werden die beiden Versionen des Sensors gemäß der Erfindung schematisch dargestellt und im folgenden näher erläutert:The two versions of the sensor according to the invention are shown schematically in the drawing and explained in more detail below:

Es zeigenShow it

Figur 1 die Version des Sensors mit einerFigure 1 the version of the sensor with a

Öffnung;
Figur 2 die Version des Sensors mit zweiOpening;
Figure 2 the version of the sensor with two

Öffnungen.Openings.

Dis in Figur 1 dargestellte, einfache Version des Sensors besteht aus dem Streifenresonator 1,The simple version of the sensor shown in Figure 1 consists of the strip resonator 1,

itta » · · ·itta » · · ·

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.opening 2 integrated therein with the superconducting ring surrounding it. This superconducting ring is not shown in the drawing, since it only forms during operation as the ring current surrounding the opening. This ring current flows through the Josephson element 3, which is arranged along the central axis of the strip resonator 1, whereby care is taken that the part of the strip resonator opposite the Josephson element is wider than the Josephson element.

Der parallel zum Streifenresonator 1 angeordnete weitere Streifen 4 dient der kapazitiven Ankopplung des Streifenresonators an eine in der Zeichnung nicht dargestellte Auswerteelektronik.The additional strip 4 arranged parallel to the strip resonator 1 serves for the capacitive coupling of the strip resonator to an evaluation electronics not shown in the drawing.

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.The length 1 of the strip resonator is dimensioned so that it corresponds to an odd multiple of half the wavelength of the operating frequency. The Josephson element is arranged at a point of maximum current flow in the strip resonator 1.

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.The sensor version shown in Figure 2 consists of the strip resonator 1, two openings 2a and 2b integrated therein with a Josephson element 3 in between, and the further strip 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.Near the opening 2b, the strip resonator 1 has a recess 5, so that it is thus asymmetrical both in relation to the openings and in relation to its central or longitudinal axis. As explained above, this version of the sensor is suitable for measuring inhomogeneous magnetic fluxes.

Claims

Nuclear Research Facility Jiilich Limited Liability Company Protection Claims

1. Sensor for measuring magnetic flux, consisting of a superconducting ring with an incorporated Josephson element, which is coupled to an electrical oscillating circuit,

characterized in that the electrical oscillating circuit consists of a piece of strip line (1) forming a resonator for standing electrical waves, in which there is an opening (2) provided for the magnetic flux to be measured with an adjacent Josephson element (3), so that the superconducting ring is integrated into the strip resonator (1), the Josephson element being arranged lying along the central or longitudinal axis of the strip resonator and that a further piece of strip line (4) adjacent to the strip resonator is provided for the capacitive coupling of the strip resonator (1) to an evaluation electronics.

2. Sensor according to claim 1,

characterized in that the electrical length l of the strip resonator (1) corresponds to an odd multiple of half the wavelength of the operating frequency.

3. Sensor according to claim 1 or 2, characterized in that the Josephson element (3) is arranged at a point of maximum current flow in the strip transducer (1).

PT 1 .0982 GM
I) a / st &ugr;

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.4. Sensor according to claim 1 to 3, characterized in that the further piece of strip line (4) is arranged in the vicinity of a voltage antinode forming in the strip resonator (1).

5. Sensor zum Messen von magnetischem Fluß_t bestehst ?us supraleitendem Ring mit inkorporiertem Josephson· element, der an einen elektrischen Schwingkreis angekoppelt ist..5. Sensor for measuring magnetic _flux consisting of a superconducting ring with an incorporated Josephson element, which is coupled to an electrical oscillating circuit.

dadurch gekennzeichnet.characterized.

v' daß der elektrische Schwingkreis aus einer, einenv' that the electrical oscillating circuit consists of one, a

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.Resonator for standing electrical waves consists of a piece of strip line (1) in which two identical openings (2a, 2b) arranged one behind the other along the central or longitudinal axis of the strip resonator (1) are provided for measuring inhomogeneous magnetic fluxes, with a Josephson element (3) located between them, so that the respective superconducting ring is integrated in the strip resonator (1), that the strip resonator in the area of the openings both in relation to the openings and in relation to its central or longitudinal axis.

/ Längsachse unsymmetrisch ausgebildet ist und daß/ longitudinal axis is asymmetrical and that

zur kapazitiven Ankopplung des Streifenresonators (1) an eine Auswerteelektronik ein am Streifenresonator anliegendes weiteres Stück Streifenleitung (4) vorgesehen ist.for the capacitive coupling of the strip resonator (1) to an evaluation electronics, a further piece of strip line (4) is provided adjacent to the strip resonator.

6. Sensor nach Anspruch 5,6. Sensor according to claim 5,

dadurch gekennzeichnet, daß die öffnungen (2a, 2b) symmetrisch zur Mittelbzw. Längsachse des StreifenresonaLors (1) angeordnet sindcharacterized in that the openings (2a, 2b) are arranged symmetrically to the central or longitudinal axis of the strip resonator (1)

I · · t I I f t I II · · 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.7. Sensor according to claim 5 or 6, characterized in that the electrical length l of the strip resonance,">rs (1) corresponds to an odd multiple of half the wavelength of the operating frequency.

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.8. Sensor according to claim 5 to 7, characterized in that the Josephson element (3) is anchored at a point of maximum current flow in the strip resonator (1).

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.9. Sensu:, according to claims 5 to 8, characterized in that the further disturbing strip line (4) is arranged in the vicinity of a voltage antinode forming in the strip resonator (1).

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 mit10. Sensor according to one of the preceding claims, characterized in that in the case of a Josephson element (3) designed as a microbridge, the part of the substrate below the Josephson element is made of a material with

, möglichst geringer Wärmeleitung besteht., with as little heat conduction as possible.

litt · · * ·suffered · · * ·