DE4445700A1 - Gradiometer - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Gradiometer mit zwei jeweils eine SQUID-Schleife enthaltenden SQUIDs.

Für die quantitative Untersuchung von Magnetfeldern bzw. Magnetfeldgradienten, beispielsweise im Bereich der zerstörungsfreien Werkstoffprüfung oder im Bereich biomagnetischer Untersuchungen mit Hilfe von SQUIDs, ist die Herstellung von Gradiometern zur Unterdrückung von Störfeldern sehr erwünscht. Zu solchen Störungen zählen Fluktuationen des Erdfeldes sowie die Felder, die durch künstliche, elektromagnetische Belastung unse­ rer Umwelt, wie beispielsweise die 50 Hz-Wechselfelder, zustande kommen. Auf der Basis von Tief-T_c-Materialien sind bereits Gradiometer bekannt, die mit relativ geringem Aufwand hergestellt werden. Dazu stehen duktile Drähte zur Verfügung, mit deren Hilfe die Herstellung geschlossener Spulenpaare mit zum Teil gegensinniger Windungsrichtung, was zu einer Elimination von Feldern mit geringem Gradienten führt, erlaubt. Im Bereich der Hoch-T_c-Materialien stehen derzeit keine geeigneten Drähte zur Verfügung.

Bekannt aus Supercond. Sci. Technol. 7 (1994), 265-268 sind sog. axiale Gradiometer, bei denen zwei SQUIDs in bis zu einigen Zentimetern entfernten Ebenen zueinander angeordnet sind. Dabei werden die Signale der einzelnen SQUIDs in getrennten elektronischen Systemen weiterverarbeitet, insbesondere voneinander subtrahiert.

Diese Gradiometer zeigen nachteilig einen hohen Fertigungsaufwand und zudem eine aufwendige mechanische Abgleichung. Außerdem ergeben sich im Falle eines sol­ chen Gradiometers mit zwei SQUIDs Gradientensignale, die nur mit Hilfe eines weiteren, dritten SQUIDs - auf diese Weise einen Gradiometer zweiter Ordnung bildend, - unterdrückt werden können.

Des weiteren ist aus Appl. Phys. Lett. 56 (1990) 1579 ein Gradiometer bekannt, bei dem der Josephson-Kontakt symmetrisch zwischen zwei relativ weit entfernten SQUID-Schleifen liegt und mit diesen durch dünne Schlitze miteinander verbunden ist. Ein solches Gradiometer weist den Nachteil auf, daß man sich auf geringe Basislängen (Entfernung der Mitten der jeweiligen SQUID-Schleife zueinander) beschränken muß, da sonst die SQUID-Induktivität zu groß und folglich das SQUID-Signal zu klein wird.

Es ist deshalb Aufgabe der Erfindung, ein Gradiometer zu schaffen, bei dem auf vergleichsweise einfache Art und ohne die bei bekannten Gradiometern aufgezeigten Nachteile eine erhöhte Meßgenauigkeit des magnetischen Feldes bzw. des Magnetfeldgradienten erreicht wird.

Die Aufgabe wird gelöst durch ein Gradiometer mit der Gesamtheit der Merkmale gemäß Anspruch 1.

Im einzelnen ist dazu vorgesehen, daß beim Gradiometer der eingangs genannten Art die SQUIDs zueinander so an­ geordnet sind, daß die SQUID-Schleifen um eine Basis­ länge L₁ voneinander entfernt in einer Ebene liegen und ein zu dieser Ebene paralleler, flächiger Flußkonzen­ trator beide SQUID-Schleifen umschließt. Dabei ist der Flußkonzentrator lateral zu der die Mitten der beiden SQUIDs-Schleifen miteinander verbindenden Basislinie spiegelsymmetrisch ausgebildet.

Es wurde erkannt, daß bei Anlegen insbesondere eines homogenen Magnetfeldes senkrecht zur Gradiometerebene im Flußkonzentrator Abschirmströme am Außenrand in­ duziert werden, die jeweils an den Orten der SQUIDs gleich große, konzentrierte Magnetfelder erzeugen. Das durch Subtraktion der jeweiligen Signale der einzelnen SQUIDs erhaltene Differenzsignal ist in einem solchen Gradiometer frei von räumlich homogenen Störsignalen. Inhomogene Felder jedoch werden unterschiedlich stark in den einzelnen SQUIDs konzentriert und bilden das in diesem Falle von Null verschiedene Differenzsignal.

Das erfindungsgemäße Gradiometer weist den besonderen Vorteil auf, daß eine bestimmte, erwünschte Basislänge des Gradiometers durch geeignete konstruktive Maßnahmen eingestellt werden kann, ohne daß es zu einer Vergröße­ rung der Induktivität und eine damit verbundene Verrin­ gerung des Signals des Gradiometers kommt.

Bei einer besonders vorteilhaften Ausführungsform des Gradiometers gemäß Anspruch 2 ist vorgesehen, daß der Flußkonzentrator in der zu seiner Oberfläche senkrech­ ten Spiegelsymmetrieebene zur Ausbildung von einander elektrisch isolierten Flußkonzentratorteilen eine elek­ trisch isolierte, die beiden Teile verbindende Schicht aufweist. Dadurch werden die Abschirmströme am Rande der jeweiligen Flußkonzentratorteile jeweils an die SQUID-Schleifen vorbeigeführt und erzeugen dabei am Ort des SQUIDs gleich große, konzentrierte Magnetfelder.

In besonders vorteilhafter Weise ist gemäß Anspruch 3 vorgesehen, daß wenigstens ein weiterer SQUID, der in der Ebene der beiden ersten SQUIDs liegt, vorgesehen ist, wobei der Flußkonzentrator daraufhin so ausgebildet ist, daß er auch diesen SQUID umschließt. Auf diese Weise erhält man ein Gradiometer mit mehreren, unterschiedliche räumliche Orientierungen aufweisende Basislängen, die jeweils ein Einzel­ gradiometer darstellen.

Besonders vorteilhaft wird das Gradiometer dann, wenn gemäß Anspruch 4 wenigstens ein Paar weiterer, in der Ebene der beiden ersten liegenden SQUIDs vorgesehen ist, wobei dieses Paar SQUIDs eine Basislinie aufweist, die nicht parallel, sondern vorzugsweise senkrecht zur Basislinie der ersten beiden SQUIDs ausgebildet ist. In diesem Falle erhält man ein planares Gradiometer, das in zwei unabhängigen, räumlichen Orientierungen zur Bestimmung von Magnetfeldern bzw. Magnetfeldgradienten geeignet ist.

Es ist gemäß Anspruch 5 zweckmäßig, zum Abgleichen der im Gradiometer befindlichen SQUIDs eine Abgleichplatte vorzusehen, die, aus supraleitendem Material bestehend, parallel zur Ebene des Flußkonzentrators verschiebbar angeordnet ist. In vorteilhafter Weise soll der Flußkonzentrator dabei im Bereich der Basislinie(n) verschiebbar angeordnet sein.

Es ist dabei sogar vorstellbar, daß als Abgleichplatte ein zusätzlicher Magnetometer-SQUID vorgesehen wird.

In diesem Falle ist sogar ein aktiver Abgleich erreichbar.

Eine besonders vorteilhafte Ausführungsform des Gradio­ meters erhält man gemäß Anspruch 6, indem als Material zur Bildung des Flußkonzentrators und/oder der Ab­ gleichplatte ein Hochtemperatur-Supraleiter (HTSL) ge­ wählt wird. Die zu diesem Material gehörenden vorteil­ haften Eigenschaften sind auf ein solches Gradiometer voll übertragbar, insbesondere der Einsatz im Bereich des flüssigen Stickstoffs.

Soweit gemäß Anspruch 7 das Gradiometer wenigstens einen Washer-SQUID, wie er beispielsweise aus Appl. Phys. Lett. 60 (1992) 645 bekannt ist, oder sogar ausschließlich Washer-SQUIDs, vorzugsweise als HTSL-Washer-SQUID, aufweist, liegt ein besonders vorteil­ haftes, in Dünnschichttechnologie herstellbares Gradiometer vor. Dabei kann der Flußkonzentrator als HTSL-Dünnschicht auf einem Substrat aufgebracht zum Einsatz kommen.

Im folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungs­ beispielen und Figuren näher erläutert.

In der Fig. 1 ist schematisch in Draufsicht (Fig. 1a) und im Querschnitt entlang der Linie AA′ (Fig. 1b) ein Gradiometer mit massivem, kreisscheibenförmigem Konzentrator dargestellt.

Dieser Konzentrator aus HTSL-Material wurde verfahrens­ mäßig wie folgt hergestellt:
aus einem massiven Stück HTSL, hier YBa₂Cu₃O₇, wurde eine Kreisscheibenform geschnitten; diese wurde in zwei gleich große, halbkreisscheibenförmige Teile getrennt, die beide mit halbkreisscheibenförmigen Öffnungen an der Trennlinie AA′ in einem Abstand der Basislänge L₁ zueinander versehen wurden; schließlich wurden beide Teile mit Hilfe eines elektrisch isolierenden Klebers zur Bildung des Konzentrators F als Kreisscheibenform mit zwei kreisscheibenförmigen Öffnungen 11 und 12 im Abstand L₁ zusammengefügt.

Im einzelnen zeigt Fig. 1a die beiden halbkreis­ scheibenförmigen Teile FT₁ und FT₂ mit kreisscheiben­ förmigen Öffnungen 11 und 12 im Abstand L₁. Die Öffnungen 11 und 12 sind in diesem speziellen Falle so ausgebildet, daß sie zur Aufnahme von zwei quaderförmigen Washer-SQUIDs S₁ und S₂ an der Oberseite des Konzentrators F entsprechende Vertiefungen aufweisen.

Zum Abgleichen ist einem verschiebbare Abgleichplatte AP aus HTSL im Bereich zwischen den Positionen der beiden SQUIDs S₁ und S₂ vorgesehen. Dabei ist die Platte AP in diesem speziellen Fall rechteckig ausgebildet, obwohl auch andere Formen gewählt werden könnten.

Die sich bei den Einsatztemperaturen ausbildenden, supraleitenden Abschirmströme im Konzentrator F sind in der Fig. 1a in Form von mit Pfeilen versehenen Schleifen angedeutet. Die Ströme bilden sich dabei am Rande des jeweiligen halbkreisscheibenförmigen Teiles FT₁ und FT₂ aus und man erhält auf diese Weise wegen der in den beiden Teilen FT₁ und FT₂ an der jeweiligen Öffnung 11 bzw. 12 entgegengesetzten Stromrichtung an diesen Öffnungen 11 bzw. 12 einen Ringstrom, der im Falle der Positionierung der SQUIDs S₁ und S₂ in der jeweiligen Ausnehmung im Konzentrator F eine Fluß­ fokussierung des Magnetfeldes in die SQUID-Schleife des jeweiligen SQUIDs bewirkt.

Der massive Konzentrator F hatte einen Durchmesser von 50 mm bei einer Kreisscheibendicke von 3 mm. Die Öffnungen 11 bzw. 12 hatten jeweils einen Durchmesser von 6 mm. Die Basislänge L₁ wurde in diesem Falle zu 30 mm gewählt. Die rechteckigen, den jeweiligen Washer-SQUID enthaltenden Substrate S₁ und S₂ waren 10_*10 mm² groß, die dazu gebildeten Ausnehmungen hatten einen nur geringfügig größeren Wert.

Bei Wahl anderer Geometrien der Teile dieses Gradio­ meters kann ein den gewünschten Gradiometereigen­ schaften entsprechendes Gradiometer mit mehr oder weniger großer Basislänge erhalten werden.

In der Fig. 2 ist ein Gradiometer schematisch dargestellt, das einen Flußkonzentrator F in Dünnschichttechnik aufweist. Dazu wurde auf einem kreisförmigen Substrat 13 mit bekannter Maskentechnik eine kreisrunde YBa₂Cu₃O₇-Schicht gebildet, die mit zwei Öffnungen 11 bzw. 12 und jeweils mit einem HTSL-freien Steg 14 bzw. 15 bis an den Rand der kreisrunden Schicht F versehen waren. Auf diese Weise bilden sich beim Einsatz Abschirmströme am Rande dieses Dünnschichtflußkonzentrators F aus, die mit den Strömen im Gradiometer gemäß Fig. 1 vergleichbare Ringströme an den jeweiligen Öffnungen 11 und 12 (Durchmesser 6 mm) bilden. Die kreisrunde Schicht F hatte einen Durchmesser von 48 mm, die Breite der Stege 14 und 15 betrug 6 µm, ihre Länge etwa 10 mm. Die Fig. 3 zeigt die laterale Form des Dünnschichtkonzentrators des in der Fig. 2 gezeigten Gradiometers.

Eine Variante dieses Gradiometers mit Dünnschicht­ konzentrator F kann an Stelle von zwei (11, 12), nunmehr vier SQUID-Ausnehmungen 11, 12, 16 und 17 enthalten, wie schematisch in Fig. 4 für einen dementsprechend in Dünnschichttechnik hergestellten Flußkonzentrator F in Draufsicht dargestellt. Damit erhält man ein Gradiometer, das mit Hilfe von vier SQUIDs in zwei lateral unabhängigen Orientierungen die Bestimmung des aufzunehmenden Magnetfeldes bzw. des Magnetfeldgradienten ermöglicht.

Der Konzentrator soll so ausgebildet sein, daß die Ringströme an den Rand der jeweiligen Öffnung (11, 12, 16, 17) für den jeweiligen SQUID entlang gezwungen werden.

Eine weitere Variante des Konzentrators hatte dabei eine laterale Schichtstrukturierung, wie in der Fig. 5 schraffiert dargestellt.

In Gegensatz zu der Schichtstruktur des Konzentrators zu Fig. 4 wurde hier auf HTSL-Material im mittleren Bereich F′ der kreisförmigen Schicht F weitgehend verzichtet. Der die jeweilige Öffnung 11, 12 innenliegend umlaufende HTSL-Steg 18 bzw. 19 in der Fig. 5 hatte eine Breite von nur noch 3 mm.

Im übrigen ist eine äußere, kreisförmige Berandung des Konzentrators F in Dünnschichttechnik oder bei massiver Ausbildung nicht zwingend. Vielmehr sind auch davon abweichende Formen vorstellbar. Dazu sind in der Fig. 6 zwei weitere laterale Ausbildungen eines geeigneten Konzentrators F in Dünnschichttechnik für das Gradiometer dargestellt.

Beide Formen weisen eine Symmetrie bezüglich der Basislinie und ihrer Mittelsenkrechten auf.

In den Fig. 7 bis 10 wurden nicht nur der Konzentrator F sondern auch die jeweiligen SQUID-Funktionen SS₁, . . . integriert in Dünnschichttechnik ausgeführt.

Es sei in diesem Zusammenhang darauf hingewiesen, daß die hier gezeigten Öffnungen sowohl die Funktion der Flußfokussierung 11, 12, 16, 17 als auch gleichzeitig die SQUID-Funktion SS₁, . . . ausüben. Dabei stellt der jeweilige kleine Verbindungsstrich zwischen der jeweiligen rechteckigen Öffnung 11, 12, 16, 17 und dem jeweiligen diese mit dem Rand des Konzentrators verbindenden Steg 14, 15, 20, 21 schematisch den zur Bildung der SQUID-Funktion SS₁, . . . vorgesehenen Josephson-Kontakt dar. Geometrisch erscheinen im Vergleich zu den bisherigen Fig. 1 bis 6 die Öffnungen 11, 12, 16, 17 bzw. SS₁, . . . ebenfalls etwa 10_*10 mm² groß; tatsächlich sind die Öffnungen 11, 12, 16, 17 bzw. SS₁, . . . in den Fig. 7 bis 10 jedoch zur Bildung der SQUID-Funktion SS₁, . . . nur 200_*200 µm². Es wurden auch Gradiometer mit 20_*20 µm² großen SQUID-Funktionen hergestellt.

In der Fig. 8 ist ein Gradiometers in Dünnschicht­ technik mit kreisförmigem Konzentrator F und vier in diesem integrierten SQUID-Funktionen SS₁, SS₂, SS₃ und SS₄ in Draufsicht dargestellt.

Fig. 9 zeigt eine Variante des Gradiometer mit zwei SQUID-Funktionen SS₁ und SS₂ integriert in einem Dünnschichtkonzentrator F. Zwei weitere, von der Kreisform abweichende Varianten zur Ausbildung eines Gradiometers mit integrierten SQUID-Funktionen SS₁ und SS₂ im Konzentrator F zeigt schließlich Fig. 10. Die hier angegebenen Ausführungsformen des Gradiometers stellen nur beispielhaft mögliche Ausbildungen der Erfindung dar. Geometrisch sind viele weitere Kombinationen einzelner Elemente der hier beschriebenen Gradiometervarianten, je nach gewünschten oder vorgegebenen Randbedingungen, denkbar.

Claims (7)

1. Gradiometer mit zwei jeweils eine SQUID-Schleife (SS₁, SS₂) enthaltenden SQUIDs (S₁, S₂), dadurch gekennzeichnet,
daß die SQUIDs (S₁, S₂) zueinander so angeordnet sind, daß die SQUID-Schleifen (SS₁, SS₂) um eine Basislänge (L₁) voneinander entfernt in einer Ebene liegen,
ein zu dieser Ebene paralleler, flächiger Flußkonzentrator (F) beide SQUID-Schleifen (SS₁, SS₂) umschließt und
der Flußkonzentrator (F) lateral zu der die Mit­ ten der beiden SQUID-Schleifen (SS₁, SS₂) mitein­ ander verbindende Basislinie B₁ spiegelsymme­ trisch ausgebildet ist.

2. Gradiometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Flußkonzentrator (F) in der zu seiner Oberfläche senkrechten Spiegelsymmetrieebene zur Ausbildung voneinander elektrisch isolierter Flußkonzentratorteilen (FT₁, FT₂) eine elektrisch isolierende, die beiden Teile verbindende Schicht aufweist.

3. Gradiometer nach einem der Ansprüche 1 oder 2, gekennzeichnet durch wenigstens einen weiteren SQUID (S₃), deren SQUID-Spule in der Ebene der beiden ersten SQUID-Spulen (SS₁, SS₂) liegt, wobei der Flußkonzentra­ tor (F) so ausgebildet ist, daß er diesen SQUID (S₃) umschließt.

4. Gradiometer nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch wenigstens ein Paar weiterer in der SQUID-Schleifen-Ebene der ersten liegenden SQUIDs (S₃, S₄), das eine zu der ersten Basislinie B₁ nicht parallele, insbesondere senkrechte Basislinie (B₂, . . . , B_x) aufweist.

5. Gradiometer nach einem der vorhergehenden Ansprüche gekennzeichnet durch eine supraleitende Abgleichplatte (AP), die auf dem Flußkonzentrator (F), insbesondere im Bereich der Basislinie B₁ verschiebbar angeordnet ist.

6. Gradiometer nach einem der vorhergehenden Ansprüche gekennzeichnet durch hochtemperatur-supraleitendes Material (HTSL) zur Bildung des Flußkonzentrators (F) oder der Ab­ gleichplatte (AP).

7. Gradiometer nach einem der vorhergehenden Ansprüche gekennzeichnet durch wenigstens einen Washer-SQUID.