DE112018005423B4

DE112018005423B4 - Magnetfeld-messelement, magnetfeld-messvorrichtung und magnetfeld-messsystem

Info

Publication number: DE112018005423B4
Application number: DE112018005423.3T
Authority: DE
Inventors: Akira Tsukamoto; Tsunehiro Hato; Keiichi Tanabe; Masayuki Motoori; Hidehiro Ishikawa
Original assignee: Superconducting Sensor Tech Corp; Superconducting Sensor Technology Corp; Japan Oil Gas and Metals National Corp; Mitsui Mineral Development Engineering Co Ltd
Current assignee: Japan Oil Gas And Metals National Corp Jp; Superconducting Sensor Technology Corp Jp; Mitsui Mineral Development Engineering Co Ltd
Priority date: 2017-11-08
Filing date: 2018-10-29
Publication date: 2023-06-07
Anticipated expiration: 2038-10-30
Also published as: JP6990811B2; DE112018005423T5; WO2019093178A1; AU2018365717B2; AU2018365717A1; JP2019086436A; US11137455B2; US20210181271A1

Abstract

Magnetfeld-Messelement, das mindestens drei SQUID-Magnetsensoren umfasst, von denen jeder eine aus einem supraleitenden Material hergestellte Detektionsspule, eine SQUID-Induktivität mit einem Josephson-Kontaktabschnitt, die mit der Detektionsspule verbunden ist und aus dem supraleitenden Material hergestellt ist, und eine Rückkopplungsspule, die ein Rückkopplungsmagnetfeld in der Detektionsspule erzeugt, umfasst, wobei die Sensoren umfassen:einen ersten SQUID-Magnetsensor;einen zweiten SQUID-Magnetsensor, der entweder auf einer zweiten Ebene, die senkrecht zu einer ersten Ebene ist, die eine Spulenoberfläche einer Detektionsspule des ersten SQUID-Magnetsensors enthält und die ein Zentrum des ersten SQUID-Magnetsensors enthält, oder in der Nähe der zweiten Ebene angeordnet ist; undeinen dritten SQUID-Magnetsensor mit einer Detektionsspule, die entweder auf einer dritten Ebene, die senkrecht zu der ersten Ebene und der zweiten Ebene ist und die das Zentrum der Detektionsspule des ersten SQUID-Magnetsensors enthält, oder in der Nähe der dritten Ebene angeordnet ist,wobei ein Zentrum einer Detektionsspule des zweiten SQUID-Magnetsensors auf einer Geraden, die durch das Zentrum der Detektionsspule des ersten SQUID-Magnetsensors verläuft und senkrecht zu der ersten Ebene ist, oder in der Nähe der Geraden vorhanden ist, undein Zentrum der Detektionsspule des dritten SQUID-Magnetsensors in einer Position vorhanden ist, die von einer Linie, die das Zentrum der Detektionsspule des ersten SQUID-Magnetsensors und das Zentrum der Detektionsspule des zweiten SQUID-Magnetsensors verbindet, versetzt ist.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft die Technologie für ein Magnetfeld-Messelement, eine Magnetfeld-Messvorrichtung und ein Magnetfeld-Messsystem unter Verwendung einer Vielzahl von SQUID-Magnetsensoren.
Technischer Hintergrund
SQUID- (Superconducting QUantum Interference Device) (supraleitende Quanteninterferenzeinheit) Magnetsensoren sind Magnetsensoren, die Supraleitung einsetzen. Daher werden die SQUID-Magnetsensoren verwendet, während sie auf eine kritische Temperatur für die Supraleitung oder darunter gekühlt werden, indem ein flüssiges Kältemittel wie flüssiges Helium oder flüssiger Stickstoff verwendet wird oder indem z.B. ein Gefrierapparat verwendet wird.
31 ist ein schematisches Diagramm eines üblichen SQUID-Magnetsensors 1.
Der SQUID-Magnetsensor 1 ist ein Magnetfluss-Spannungswandlerelement, dessen Ausgangsspannung durch einen mit einer supraleitenden Schleife gekoppelten magnetischen Fluss verändert werden kann.
Jeder SQUID-Magnetsensor 1 ist dadurch strukturiert, dass er entweder einen oder zwei Josephson-Kontaktabschnitte 2 auf einer geschlossenen Schleife (supraleitende Schleife) enthält, die als SQUID-Induktivität 8 bezeichnet wird.
Der in 31 gezeigte SQUID-Magnetsensor 1 verwendet ein SQUID der zwei Josephson-Kontaktabschnitte 2 auf einer supraleitenden Schleife (SQUID-Induktivität 8) enthält. Ein solcher SQUID wird als dc-SQUID bezeichnet und wird allgemein verwendet.
Die SQUID-Induktivität 8 hat eine sehr kleine Fläche und hat somit, für sich genommen, eine kleine Magnetflussauffangfläche. Hier ist, wie in 31 dargestellt, eine Detektionsspule 3, die üblicherweise eine große Magnetflussauffangfläche hat, an die SQUID-Induktivität 8 angeschlossen. Dann wird ein mit der Detektionsspule 3 gekoppelter magnetischer Fluss zur SQUID-Induktivität 8 geleitet. Dadurch ist es möglich, den SQUID-Magnetsensor 1 als hochempfindlichen Magnetsensor zu verwenden. Typischerweise wird auch die Detektionsspule 3 aus einem Supraleiter (supraleitendes Material) hergestellt.
In einem SQUID-Magnetsensor 1 aus einem Niedrigtemperatur-Supraleiter, der flüssiges Helium benötigt, kann eine Detektionsspule 3 mit einem supraleitenden Draht aus z.B. Nb oder NbTi hergestellt werden. Indes, im Falle eines hochtemperatur-supraleitenden SQUIDs, das einen YBa₂Cu₃O_x-Oxidleiter als Supraleiter verwendet und in flüssigem Stickstoff betrieben werden kann, muss die Inter-Supraleiter-Kontakttechnologie noch entwickelt werden. Das heißt, die Technologie zur Verbindung eines supraleitenden Drahtes (Detektionsspule 3) und einer SQUID-Induktivität 8 muss noch entwickelt werden. Daher ist es üblich, die Detektionsspule 3 und die SQUID-Induktivität 8 unter Verwendung eines Dünnfilm-Abscheidungsprozesses auf demselben Substrat zu integrieren. Da 31 schematisch dargestellt ist, ist zu beachten, dass die Detektionsspule 3 und die SQUID-Induktivität 8 scheinbar verbunden sind, tatsächlich aber integriert sind. Die empfindliche Detektionsrichtung des SQUID-Magnetsensors 1, in dem die Detektionsspule 3 und die SQUID-Induktivität 8 integriert sind, ist eine Richtung senkrecht zu einer Substratoberfläche, auf der der SQUID-Magnetsensor 1 ausgebildet ist. Das heißt, es wird ein mit der Detektionsspule 3 gekoppelter magnetischer Fluss detektiert.
Im Falle eines dc-SQUIDs fließt ein Bias-Strom I_b, der einen kritischen Stromwert des Josphson-Kontakts überschreitet, zwischen zwei Josephson-Kontaktabschnitten 2, um eine Spannung V_SQUID als Ausgabe zu erzeugen. Bei dem in 31 gezeigten SQUID-Magnetsensor 1 fließt ein Strom von Anschlüssen 4 zu Anschlüssen 5, und es wird eine Spannung zwischen den Anschlüssen 4 und den Anschlüssen 5 gelesen.
Es ist zu beachten, dass eine Rückkopplungsspule 6 und Anschlüsse 7 später beschrieben werden.
32 und 33 sind Diagramme, die die Spannung-Magnetfluss Kennlinien (V-Φ Kennlinien) des SQUID-Magnetsensors 1 darstellen.
Es ist zu beachten, dass sich die „Spannung“ in 32 und unten beschriebener 33 auf eine Ausgangsspannung des SQUID-Magnetsensors 1 bezieht. Siehe gegebenenfalls 31.
Wie in 32 gezeigt, schwankt die Ausgangsspannung des SQUID-Magnetsensors 1 wie eine Sinuswelle in Bezug auf einen magnetischen Fluss, der mit der Detektionsspule 3 und der SQUID-Induktivität 8 gekoppelt ist. Ein magnetischer Fluss in einer perfekten supraleitenden Schleife wird einer Quantisierung unterzogen, und der magnetische Fluss liegt nur als Einheit(en) des magnetischen Flussquantums Φ₀ (= 2,05 × 10^-15 Wb) vor. Die SQUID-Induktivität 8 wird jedoch an den Josephson-Kontaktabschnitten 2 unterbrochen, so dass jeder magnetische Fluss gekoppelt werden kann. Die resultierende Ausgangsspannung weist jedoch eine Fluktuation in Bezug auf den gekoppelten magnetischen Fluss auf, während sie einen Zyklus von Φ₀ aufweist.
Um aus der periodischen nichtlinearen Kennlinie ein zum gekoppelten magnetischen Fluss proportionales Ausgangssignal zu erhalten, wird der SQUID-Magnetsensor 1 durch Rückkopplungsregelung gesteuert. Wie hier verwendet, bedeutet „nichtlinear“, dass die Spannung und der magnetische Fluss keinen einfachen proportionalen Zusammenhang haben. Das heißt, wie z.B. in 32 bezüglich der Ausgangsspannung des SQUID-Magnetsensors 1 gezeigt, ist die Spannung nicht einfach proportional zum magnetischen Fluss. Daher ist es schwierig, aus der Spannung einen angelegten magnetischen Fluss zu bestimmen. Konkret wird an die Rückkopplungsspule 6 ein Rückkopplungsmagnetfeld angelegt, das den mit der Detektionsspule 3 gekoppelten magnetischen Fluss aufhebt. Ein solches Rückkopplungsmagnetfeld wird verwendet, um den SQUID-Magnetsensor 1 so zu steuern, dass die Ausgangsspannung von einem bestimmten Punkt (Sperrpunkt P) der V-Φ Kennlinie nicht verschoben wird. Der Sperrpunkt P wird später im Detail erläutert. Eine Steuerschaltung, die für eine solche Rückkopplungsregelung verwendet wird, wird als FLL (Flux Locked Loop) (Flussverriegelter Regelkreis)-Schaltung 21 bezeichnet (siehe 34). Die FLL-Schaltung 21 hat mehrere Schaltungsarten.
34 zeigt als Beispiel eine Grundkonfiguration der FLL-Schaltung 21 vom Typ DOIT (Direct Offset Integration Technique).
Die Ausgangsspannung V_SQUID (Spannung zwischen den Anschlüssen 4 und den Anschlüssen 5 in 31) des SQUID-Magnetsensors 1 wird mit einem Vorverstärker 211 verstärkt und anschließend wird mit einem Addierer 212 eine negative DC-Ausgangsspannung V_offset addiert. Es ist zu beachten, dass im Folgenden die Spannung zwischen den Anschlüssen 4 und den Anschlüssen 5 gegebenenfalls als „Ausgabe des Anschluss 5“ bezeichnet wird. Mit dieser Konfiguration kann, wie in 33 gezeigt, der SQUID-Magnetsensor 1 so eingestellt (Offset) werden, dass die V-Φ Kennlinie über die Position bei 0 V schwankt. Es ist zu beachten, dass die FLL-Schaltung 21 vom Typ DOIT, wie in 34 gezeigt, später im Detail erläutert wird. Der Sperrpunkt P wird im Folgenden beschrieben.
Hier sind die Details der FLL-Schaltung 21 vom Typ DOIT unter Bezugnahme auf 34 dargestellt.
Wie oben beschrieben, wird die Ausgangsspannung V_SQUID (Ausgabe des Anschluss 5 in 31) des SQUID-Magnetsensors 1 mit dem Vorverstärker 211 verstärkt und die negative DC-Ausgangsspannung V_offset dann mit dem Addierer 212 addiert.
Die Ausgabe des Addierers 212 wird in einem Integrator 213 integriert. Die Ausgabe des Integrators 213 wird über einen Rückkopplungswiderstand 214 an die Rückkopplungsspule 6 ausgegeben. Bei dem in 31 gezeigten SQUID-Magnetsensor 1 ist die Rückkopplungsspule 6 mit den Anschlüssen 7 so angeordnet, dass sie magnetisch mit der Detektionsspule 3 gekoppelt ist. Das heißt, das Magnetfeld, das in der Rückkopplungsspule 6 auftritt, ist mit der Detektionsspule 3 gekoppelt. Es ist zu beachten, dass die Anschlüsse 7 in 31 mit der FLL-Schaltung 21 verbunden sind.
Wie oben beschrieben, ist die Rückkopplungsspule 6 über die Detektionsspule 3 magnetisch mit der SQUID-Induktivität 8 gekoppelt. Als solches wird der Ausgang des Integrators 213 rückgekoppelt. Auf diese Weise wird, wenn die Ausgangsspannung des Addierers 212 nicht Null ist, die Ausgabe des Integrators 213 als das Rückkopplungsmagnetfeld über die Rückkopplungsspule 6 an die Detektionsspule 3 angelegt. Das Rückkopplungsmagnetfeld wird an die Detektionsspule 3 angelegt, bis die Ausgangsspannung des Addierers 212 Null wird. Wenn ein magnetischer Fluss, der in die Detektionsspule 3 und die SQUID-Induktivität 8 eintritt, bei einer Änderung des äußeren Magnetfeldes geändert wird, wird auch die Ausgabe des SQUID-Magnetsensors 1, nämlich die Ausgabe des Addierers 212, geändert. Dann fließt in der Rückkopplungsspule 6 ein Strom, so dass die Ausgabe des Addierers 212 Null erreicht, und so ein Rückkopplungsmagnetfeld angelegt wird.
Infolgedessen wird der SQUID-Zustand nach der in 33 gezeigten Offset-Spannungseinstellung an einem beliebigen der Punkte (Verriegelungspunkte P) auf der 0 V-Spannungslinie in der V-Φ Kennlinie verriegelt. Das heißt, was das Rückkopplungsmagnetfeld betrifft, so wird selbst nach einer Änderung des äußeren Magnetfeldes des SQUID-Magnetsensors 1 das Rückkopplungsmagnetfeld, das die Änderung aufhebt, an die Detektionsspule 3 angelegt. Konkret, wenn die Ausgabe des SQUID-Magnetsensors 1 vom Verriegelungspunkt P abweicht, wird das Rückkopplungsmagnetfeld an die Detektionsspule 3 angelegt, so dass die Ausgabe zum Verriegelungspunkt P zurückgeführt wird, wie in den Pfeilen in 33 gezeigt.
Der mit der Detektionsspule 3 gekoppelte magnetische Fluss kann durch Messung eines solchen Rückkopplungsmagnetfeldes bestimmt werden. Dieses Rückkopplungsmagnetfeld ist proportional (linear korreliert) zur Ausgabe Vout des Integrators 213, so dass es einfach ist, das Rückkopplungsmagnetfeld aus der Ausgabe Vout des Integrators 213 abzuschätzen. Das heißt, die Ausgabe des Anschluss 4/Anschluss 5 wird nicht direkt gemessen, aber es ist möglich, eine Spannung zu messen, die an den Rückkopplungswiderstand 214 angelegt wird, der mit der Rückkopplungsspule 6 in Reihe geschaltet ist. Damit ist es möglich, den mit der Detektionsspule 3 gekoppelten magnetischen Fluss zu messen. Auf diese Weise kann die nichtlineare V-Φ Kennlinie in eine lineare Kennlinie umgewandelt werden, wie in den 32 und 33 gezeigt. Somit kann aus dem gemessenen magnetischen Fluss die Ausgangsspannung des SQUID-Magnetsensors 1 bestimmt werden.
Es ist zu beachten, dass die Rückkopplungsspule 6 nicht notwendigerweise ein Supraleiter ist.
Ein Reset-Schalter 215 in 34 ist ein Schalter, mit dem ein Kondensator des Integrators 213 kurzgeschlossen werden kann, um die Ausgabe des Integrators 213 wieder auf 0 zu setzen. Darüber hinaus ist ein Rückkopplungsschalter 216 ein Schalter, mit dem die Verbindung zwischen dem Ausgang des Integrators 213 und der Rückkopplungsspule 6 geschaltet wird.
Im Hinblick z.B. auf einen Nb-basierten Supraleiter (Niedrigtemperatur-Supraleiter), der Kühlung mit flüssigem Helium benötigt, wurde eine Technologie zur Herstellung einer komplizierten Mikroschaltung mit einer mehrschichtigen Supraleiterschicht fertiggestellt. Aus diesem Grund wird z.B. beim Nb-basierten Supraleiter die Rückkopplungsspule 6 oft auf dem gleichen Substrat ausgebildet wie die SQUID-Induktivität 8. In einem solchen Nb-basierten Supraleiter ist es üblich, ein Verfahren zum Anlegen eines Rückkopplungsmagnetfeldes an die SQUID-Induktivität 8 zu verwenden, in dem die Rückkopplungsspule 6 verwendet wird, die im Wesentlichen die gleiche Größe wie die SQUID-Induktivität 8 hat.
Indes wird bei Hochtemperatur-Supraleitern, die in flüssigem Stickstoff betrieben werden können, ein Mehrschichtstrukturierungsprozess zunehmend schwieriger. Daher wird ein Herstellen der Rückkopplungsspule 6 auf dem gleichen Substrat wie die SQUID-Induktivität 8 nicht durchgeführt. Ein Verfahren ist üblich, bei dem ein Substrat mit der SQUID-Induktivität 8 und/oder der Detektionsspule 3 auf ein Substrat mit der Rückkopplungsspule 6 montiert wird. In diesem Fall wird das Rückkopplungsmagnetfeld nicht direkt an die SQUID-Induktivität 8 angelegt, aber es ist üblich, ein Verfahren zu verwenden, bei dem das Rückkopplungsmagnetfeld an die Detektionsspule 3 angelegt wird, wie in 31 gezeigt.
Es ist üblich, drei Magnetsensoren, wie Fluxgate-Magnetometer oder SQUID-Magnetometer, zu kombinieren, die jeweils nur in einer bestimmten axialen Richtung einen magnetischen Fluss erfassen. Diese Konfiguration ermöglicht die gleichzeitige Messung von dreikomponentigen (x, y und z) magnetischen Flüssen, indem die Magnetsensoren so angeordnet werden, dass die jeweiligen Mittelachsen senkrecht zueinander stehen. Bei der Anordnung der drei Magnetsensoren ist diese typischerweise so angeordnet, dass sich die Mittelachsen der drei Magnetsensoren in einem Punkt schneiden. Es wird ein Würfel betrachtet, dessen Mittelpunkt der Schnittpunkt zwischen den Mittelachsen der drei Magnetsensoren ist. Hier sind die drei Sensoren auf drei Seiten des Würfels angeordnet. Diese Anordnung wird hier als kubische Anordnung bezeichnet.
Darüber hinaus sind die drei Magnetsensoren oft in einer Linie angeordnet. Diese Anordnung wird hier koaxiale Anordnung genannt. Es ist auch eine andere Anordnung bekannt, bei der die drei Magnetsensoren einfach auf der gleichen Ebene ausgerichtet sind.
Zusammenfassung der Erfindung
Technische Aufgabe
Der SQUID-Magnetsensor 1 wird üblicherweise mit einem flüssigen Kältemittel gekühlt. Dann wird der SQUID-Magnetsensor 1 wünschenswerterweise in der Nähe der Bodenfläche eines Kryostaten, der das flüssige Kältemittel enthält, platziert. Dies wird gemacht, da dadurch eine geringere Menge an flüssigem Kältemittel zur Kühlung verwendet wird oder da dadurch die gleiche Menge an flüssigem Kältemittel verwendet wird, um den SQUID-Magnetsensor 1 über einen längeren Zeitraum in einem Tieftemperaturzustand zu halten. Darüber hinaus ist ein kleinerer Öffnungsabschnitt eines Kryostaten wünschenswert, um einen Wärmeeintrag aus einem Öffnungsabschnitt des Kryostaten zur Verlängerung der Kühlperiode zu reduzieren. Aus diesem Grund wird eine kompakte Anordnung einer Vielzahl von SQUID-Magnetsensoren 1 angestrebt.
Die einzelnen SQUID-Magnetsensoren 1 haben jeweils die Detektionsspule 3 und die Rückkopplungsspule 6, an die das Rückkopplungsmagnetfeld wie oben in 31 beschrieben angelegt wird. Wenn die Vielzahl von SQUID-Magnetsensoren 1 kompakt angeordnet ist, verursacht diese Konfiguration ein Problem der Interferenz zwischen den Rückkopplungsmagnetfeldern und den Detektionsspulen 3 benachbarter anderer SQUID-Magnetsensoren 1. Bei üblichen Verfahren, bei denen ein Rückkopplungsmagnetfeld an die Detektionsspule 3 im SQUID-Magnetsensor 1 angelegt wird, wobei insbesondere ein Hochtemperatur-Supraleiter verwendet wird, sollte die Rückkopplungsspule 6 eine Größe von einigen mm bis zu einigen cm haben. Wenn die Rückkopplungsspule 6 eine solche Größe hat, wird das Rückkopplungsmagnetfeld räumlich ausgedehnt, und als Ergebnis davon wird die Interferenz deutlich.
Unter dem Gesichtspunkt der Platzierung der SQUID-Magnetsensoren 1 in der Nähe der Bodenfläche eines Kryostaten, der flüssiges Kältemittel enthält, ist eine kubische Anordnung effektiv.
35 ist eine schematische Darstellung, die als ein Beispiel den Fall einer kubischen Anordnung darstellt, bei der SQUID-Magnetsensoren 1 × bis 1z (1) auf drei Seiten eines kubischen Trägerkörpers 301 angeordnet sind.
Jeder SQUID-Magnetsensor 1 enthält die Detektionsspule 3 und die Rückkopplungsspule 6, wie in 31 gezeigt. Wie in 35 dargestellt, entspricht die Gesamthöhe in der kubischen Anordnung etwa der Höhe des vertikal angeordneten SQUID-Magnetsensors 1. Dann, in der kubischen Anordnung wie in 35 dargestellt, interferieren z.B. die Magnetfeldlinien Mz1 und Mz2 des Rückkopplungsmagnetfeldes des SQUID-Magnetsensors 1 z mit den Detektionsspulen 3 der anderen SQUID-Magnetsensoren 1x und 1y. Bei den anderen SQUID-Magnetsensoren 1 treten ähnliche Interferenzen auf.
Indes, 36 ist ein Diagramm, das ein Beispiel für eine koaxiale Anordnung darstellt.
In der koaxialen Anordnung, wie in 36 dargestellt, sind die Zentren von drei SQUID-Magnetsensoren 1x bis 1z (1) auf einer Geraden durch die Mittelachse Cz des SQUID-Magnetsensors 1z angeordnet (linear angeordnet). Weiterhin stehen die Detektionsebenen der drei SQUID-Magnetsensoren 1x bis 1z senkrecht zueinander. Durch eine solche Anordnung, nämlich die koaxiale Anordnung, ist es möglich zu erzielen, dass das rückgekoppelte Magnetfeld eines SQUID-Magnetsensors 1 nicht mit den Detektionsspulen 3 der anderen SQUID-Magnetsensoren 1 interferiert.
Zum Beispiel läuft, wie in 36 dargestellt, eine Magnetfeldlinie Mx1 von der Rückkopplungsspule 6 des mittleren SQUID-Magnetsensors 1x parallel zur Detektionsebene des SQUID-Magnetsensors 1y ein. Konkret liegt die Ebene, die durch die Magnetfeldlinie Mx1 erzeugt wird, parallel zur Ebene des SQUID-Magnetsensors 1y. Aus diesem Grund ist die Magnetfeldlinie Mx1 nicht mit der Detektionsspule 3 des SQUID-Magnetsensors 1y gekoppelt. Wie hier verwendet, wird eine solche Positionsbeziehung zwischen den SQUID-Magnetsensoren 1x und 1y in 36 als „parallele Beziehung“ bezeichnet.
Darüber hinaus läuft in 36 eine Magnetfeldlinie Mx2 in die Detektionsspule 3 des SQUID-Magnetsensors 1z ein und die Magnetfeldlinie Mx2 kommt aufgrund der Links-Rechts-Symmetrie auf gleichem Level heraus. Das heißt, die Magnetfeldlinie Mx2 läuft ein und kommt dann aus der Detektionsspule 3 des SQUID-Magnetsensors 1z heraus. Aus diesem Grund wird das Nettomagnetfeld nicht detektiert. Somit ist die Magnetfeldlinie Mx2 mit der Detektionsspule 3 des SQUID-Magnetsensors 1z gekoppelt und die Magnetfeldlinie Mx2 kommt auf dem gleichen Level heraus, so dass es keine Nettokopplung der Magnetfeldlinie Mx2 gibt. Eine solche Positionsbeziehung wird als „symmetrische Beziehung“ bezeichnet.
Darüber hinaus, obwohl nicht abgebildet, steht der SQUID-Magnetsensor 1z in paralleler Beziehung zu den SQUID-Magnetsensoren 1x und 1y. Weiterhin steht der SQUID-Magnetsensor 1y in paralleler Beziehung zum SQUID-Magnetsensor 1x und steht in symmetrischer Beziehung zum SQUID-Magnetsensor 1z.
Bei der koaxialen Anordnungsart treten weniger Rückkopplungs-Magnetfeldinterferenzen auf. Jedoch ist aufgrund der vertikalen Anordnung der obere SQUID-Magnetsensor 1 (SQUID-Magnetsensor 1y in 36) weiter von der Bodenfläche des Kryostaten entfernt. Wie oben beschrieben, sind die SQUID-Magnetsensoren 1 in ein flüssiges Kältemittel eingetaucht. Hier wird das flüssige Kältemittel während der Verwendung der SQUID-Magnetsensoren 1 verdampft. Bei der koaxialen Anordnungsart wird der obere SQUID-Magnetsensor 1 (SQUID-Magnetsensor 1y in 36) zu einem früheren Zeitpunkt über dem flüssigen Kältemittel freiliegen. Dies erfordert häufiges Nachfüllen des flüssigen Kältemittels, wodurch die Nutzungseffizienz des flüssigen Kältemittels sinkt.
Da außerdem die Größe in vertikaler Richtung zunimmt wenn die koaxiale Anordnung angewendet wird, sollte die Größe in der horizontalen Richtung einer Apparatur (Kryostat) aus Stabilitätsgründen länger ausgeführt werden. Dies führt dazu, dass der Apparat größer wird, wodurch die Transportierbarkeit verringert wird.
Wenn hier die kubische Anordnung horizontal eingesetzt wird, können die drei SQUID-Magnetsensoren 1 auf der gleichen Höhe wie die kubische Anordnung untergebracht werden. Leider wird die Breite des Kryostaten groß, wenn die koaxiale Anordnung horizontal eingesetzt wird. Dies führt zu einer Zunahme des Wärmeeintrags, wodurch der Apparat größer wird. Aus den oben genannten Gründen ist es kein wünschenswertes Verfahren, die koaxiale Anordnung horizontal einzusetzen.
Die vorliegende Erfindung wurde im Hinblick auf diesen Hintergrund gemacht. Die Erfindung befasst sich mit dem Problem der Verringerung der Höhe eines Magnetfeld-Messelements während Interferenzen verringert werden.
Lösung der Aufgabe
Um die Aufgabe zu lösen, stellt die vorliegende Erfindung ein Magnetfeld-Messelement bereit, das mindestens drei SQUID-Magnetsensoren umfasst, von denen jeder eine Detektionsspule aus einem supraleitenden Material, eine SQUID-Induktivität mit einem Josephson-Kontaktabschnitt, die mit der Detektionsspule verbunden ist und aus dem supraleitenden Material hergestellt ist, und eine Rückkopplungsspule, die ein Rückkopplungsmagnetfeld in der Detektionsspule erzeugt, umfasst, wobei die Sensoren umfassen:

einen ersten SQUID-Magnetsensor;
einen zweiten SQUID-Magnetsensor, der entweder auf einer zweiten Ebene, die senkrecht zu einer ersten Ebene ist, die eine Spulenoberfläche einer Detektionsspule des ersten SQUID-Magnetsensors enthält und die ein Zentrum des ersten SQUID-Magnetsensors enthält, oder in der Nähe der zweiten Ebene angeordnet ist; und
einen dritten SQUID-Magnetsensor mit einer Detektionsspule, die entweder auf einer dritten Ebene, die senkrecht zu der ersten Ebene und der zweiten Ebene ist und die das Zentrum der Detektionsspule des ersten SQUID-Magnetsensors enthält, oder in der Nähe der dritten Ebene angeordnet ist,
wobei ein Zentrum einer Detektionsspule des zweiten SQUID-Magnetsensors auf einer Geraden, die durch das Zentrum der Detektionsspule des ersten SQUID-Magnetsensors verläuft und senkrecht zu der ersten Ebene ist, oder in der Nähe der Geraden vorhanden ist, und
ein Zentrum der Detektionsspule des dritten SQUID-Magnetsensors in einer Position vorhanden ist, die von einer Linie, die das Zentrum der Detektionsspule des ersten SQUID-Magnetsensors und das Zentrum der Detektionsspule des zweiten SQUID-Magnetsensors verbindet, versetzt ist.
Andere Lösungen werden, wenn angebracht, in Ausführungsformen beschrieben.

Vorteilhafte Effekte der Erfindung
Die Erfindung ermöglicht das Absenken einer Höhe während Interferenzen verringert werden.
Figurenliste

1 ist ein Diagramm (Nr. 1), das ein Beispiel für die Anordnung von Spulen in einem Magnetfeld-Messelement E gemäß einer ersten Ausführungsform darstellt.
2 ist ein Diagramm (Nr. 2), das ein Beispiel für die Anordnung von Spulen im Magnetfeld-Messelement E gemäß der ersten Ausführungsform darstellt.
3 ist ein Diagramm (Nr. 3), das ein Beispiel für die Anordnung von Spulen im Magnetfeld-Messelement E gemäß der ersten Ausführungsform darstellt.
4 ist ein Diagramm, das eine Positionsbeziehung zwischen SQUID-Magnetsensoren 1 in einem Magnetfeld-Messelement Ea gemäß einer zweiten Ausführungsform darstellt.
5 stellt Funktionsblöcke als ein Konfigurationsbeispiel eines Magnetfeld-Messsystems Z gemäß einer Ausführungsform der Erfindung dar.
6 ist ein Diagramm, das eine Draufsicht auf einen SQUID-Chip 100 darstellt, der in dieser Ausführungsform verwendet wird.
7 ist eine vergrößerte Ansicht eines Abschnitts, der durch Bezugszeichen 110 im SQUID-Chip 100 von 6 gekennzeichnet ist.
8 ist eine schematische Darstellung des A-A Querschnitts in 7.
9 ist ein Diagramm, das ein Beispiel für ein Pfostensubstrat 500 zeigt, das in dieser Ausführungsform verwendet wird.
10 ist ein Diagramm, das einen Zustand darstellt, in dem der SQUID-Chip 100 auf dem in 9 gezeigten Pfostensubstrat 500 montiert ist.
11 ist ein Diagramm einer Sonde 12A in kubischer Anordnung als Vergleichsbeispiel, in Richtung der y-Achse gesehen.
12 ist ein Diagramm der Sonde 12A in kubischer Anordnung als das Vergleichsbeispiel, in Richtung der z-Achse gesehen.
13 ist ein Diagramm einer Sonde 12 (Magnetfeld-Messelement E), die in einer Ausführungsform der Erfindung verwendet wird, in Richtung der y-Achse gesehen.
14 ist ein Diagramm der in dieser Ausführungsform verwendeten Sonde 12 (Magnetfeld-Messelement E), in Richtung der x-Achse gesehen.
15 ist ein Graph, der die Intensität jedes Magnetsignals im Magnetfeld-Messelement E der 13 und 14 zeigt (die Rückkopplungsspule 6 des SQUID-Magnetsensors 1x → der SQUID-Magnetsensor 1x).
16 ist ein Graph, der die Intensität jedes Magnetsignals im Magnetfeld-Messelement E der 13 und 14 zeigt (die Rückkopplungsspule 6 des SQUID-Magnetsensors 1x → der SQUID-Magnetsensor 1y).
17 ist ein Graph, der die Intensität jedes Magnetsignals im Magnetfeld-Messelement E der 13 und 14 zeigt (die Rückkopplungsspule 6 des SQUID-Magnetsensors 1x → der SQUID-Magnetsensor 1z).
18 ist eine Tabelle, die die Stärke der Interferenz mit jedem SQUID-Magnetsensor 1 in der Anordnung im Vergleichsbeispiel zeigt.
19 ist eine Tabelle, die die Stärke der Interferenz mit jedem SQUID-Magnetsensor 1 in der Anordnung in 13 und 14 zeigt.
20 ist ein Diagramm einer Sonde 12B (Magnetfeld-Messelement E), die in einer vierten Ausführungsform verwendet wird, in Richtung der y-Achse gesehen.
21 ist ein Diagramm der Sonde 12B (Magnetfeld-Messelement E), die in der vierten Ausführungsform verwendet wird, in Richtung der x-Achse gesehen.
22 ist eine Tabelle, die die Stärke der Interferenz mit jedem SQUID-Magnetsensor 1 in der Anordnung in 20 und 21 zeigt.
23 ist ein Diagramm, das ein Modell für SQUID-Magnetsensoren 1 darstellt, das in einer numerischen Simulation der parallelen Beziehung verwendet wird.
24 ist eine Kurve (Dz = 9 mm), die eine Dx-Abhängigkeit in Bezug auf Bx/Bz zeigt, wie es unter den in 23 dargestellten Bedingungen simuliert wurde.
25 ist eine Kurve (Dz = 22 mm), die eine Dx-Abhängigkeit in Bezug auf Bx/Bz zeigt, wie es unter den in 23 dargestellten Bedingungen simuliert wurde.
26 ist eine Kurve (Dz = 35 mm), die eine Dx-Abhängigkeit in Bezug auf Bx/Bz zeigt, wie es unter den in 23 dargestellten Bedingungen simuliert wurde.
27 ist ein Diagramm, das ein Modell für SQUID-Magnetsensoren 1 darstellt, das in einer numerischen Simulation einer symmetrischen Beziehung verwendet wird.
28 ist eine Kurve (Dz = 9 mm), die eine Dx-Abhängigkeit in Bezug auf das Bz/Bx zeigt, wie es unter den in 27 dargestellten Bedingungen simuliert wurde.
29 ist eine Kurve (Dz = 22 mm), die eine Dx-Abhängigkeit in Bezug auf das Bz/Bx zeigt, wie es unter den in 27 dargestellten Bedingungen simuliert wurde.
30 ist eine Kurve (Dz = 35 mm), die eine Dx-Abhängigkeit in Bezug auf das Bz/Bx zeigt, wie es unter den in 27 dargestellten Bedingungen simuliert wurde.
31 ist eine schematische Darstellung eines üblichen SQUID-Magnetsensors 1.
32 ist ein Graph (vor Offset), der eine Spannung-Magnetfluss Kennlinie (V-Φ Kennlinie) des SQUID-Magnetsensors 1 darstellt.
33 ist ein Graph (nach Offset), der eine Spannungs-Magnetfluss Kennlinie (V-Φ Kennlinie) des SQUID-Magnetsensors 1 darstellt.
34 ist ein Diagramm, das eine Grundkonfiguration einer FLL-Schaltung 21 vom Typ DOIT (Direct Offset Integration Technique) darstellt.
35 ist ein Diagramm, das ein Beispiel für eine kubische Anordnung darstellt.
36 ist ein Diagramm, das ein Beispiel für eine koaxiale Anordnung darstellt.

Beschreibung der Ausführungsformen
Im Folgenden werden Ausführungsformen der Erfindung (im Folgenden „Ausführungsformen“ genannt) gegebenenfalls unter Bezugnahme auf die Zeichnungen detailliert beschrieben.
[Erste Ausführungsform]
(Konfiguration des Magnetfeld-Messelements E)
1 bis 3 sind Diagramme, die jeweils ein Beispiel einer Anordnung von Spulen in einem Magnetfeld-Messelement E gemäß einer ersten Ausführungsform darstellen. Es ist zu beachten, dass in den 1 bis 4 SQUID-Magnetsensoren 1x bis 1z Detektionsspulen 3 darstellen und die anderen Komponenten weggelassen wurden, um es leicht zu machen, die Bilder zu verstehen. Darüber hinaus hat jeder SQUID-Magnetsensor 1 im Wesentlichen den gleichen Aufbau wie in 31.
Der SQUID-Magnetsensor 1z (1), der der erste SQUID-Magnetsensor ist, ist auf einer Ebene (erste Ebene) senkrecht zur z-Achse angeordnet. Konkret ist der SQUID-Magnetsensor 1z horizontal zum Boden platziert. Der SQUID-Magnetsensor 1x (1), der der zweite SQUID-Magnetsensor ist, ist auf der Mittelachse Cz angeordnet, die sich von dem Zentrum des SQUID-Magnetsensors 1z vertikal zur Detektionsebene des SQUID-Magnetsensors 1z erstreckt.
Konkret ist der SQUID-Magnetsensor 1x auf einer zweiten Ebene vorhanden, die eine Ebene senkrecht zur ersten Ebene ist, welche die Spulenoberfläche des SQUID-Magnetsensors 1z ist und das Zentrum des SQUID-Magnetsensors 1z enthält. Dabei ist die Mittelachse Cz eine Gerade, die durch das Zentrum des SQUID-Magnetsensors 1z verläuft, der auf der zweiten Ebene vorhanden ist, und senkrecht zur ersten Ebene steht. Dann ist der SQUID-Magnetsensor 1x so angeordnet, dass das Zentrum des SQUID-Magnetsensors 1x auf der Mittelachse Cz vorhanden ist. Der SQUID-Magnetsensor 1x kann auch an einer von der zweiten Ebene etwas versetzten Position vorhanden sein. Ebenso kann das Zentrum des SQUID-Magnetsensors 1x an einer Position vorhanden sein, die etwas von der Mittelachse Cz versetzt ist.
Der SQUID-Magnetsensor 1y (1), der der dritte SQUID-Magnetsensor ist, ist in einer dritten Ebene angeordnet, die senkrecht zur ersten und zweiten Ebene verläuft und die Mittelachse Cx enthält, die sich senkrecht von dem Zentrum des SQUID-Magnetsensors 1x erstreckt.
Konkret ist die Ebene, die die Spulenoberfläche des SQUID-Magnetsensors 1z ist, die erste Ebene und die Ebene, die die Spulenoberfläche des SQUID-Magnetsensors 1x ist, die zweite Ebene. Dann ist die dritte Ebene die Ebene senkrecht zur ersten und zweiten Ebene und der SQUID-Magnetsensor 1 y ist so angeordnet, dass die Ebene, die die Spulenoberfläche des SQUID-Magnetsensors 1y ist, auf der dritten Ebene vorhanden ist.
Zu diesem Zeitpunkt ist der SQUID-Magnetsensor 1y so angeordnet, dass das Zentrum des SQUID-Magnetsensors 1y an einer anderen Position als auf der Mittelachse Cz (an einer von der Mittelachse Cz versetzten Position) angeordnet ist.
Im Beispiel der 1 bis 3 ist der SQUID-Magnetsensor 1y so angeordnet, dass sein Zentrum auf der Mittelachse Cx vorhanden ist. Der SQUID-Magnetsensor 1y kann auch an einer von der dritten Ebene etwas versetzten Position vorhanden sein. Ebenso kann das Zentrum des SQUID-Magnetsensors 1y an einer Position vorhanden sein, die etwas von der Mittelachse Cx versetzt ist.
Ferner kann, wie unten in 4 beschrieben, das Zentrum des SQUID-Magnetsensors 1y zwischen der Mittelachse Cx und der ersten Ebene vorhanden sein.
(Zustand der Magnetfluss-Kopplung)
Gezeigte gestrichelte Linien in 1 bezeichnen Magnetfeldlinien My des Rückkopplungsmagnetfeldes, das im SQUID-Magnetsensor 1y auftritt.
Zuerst, wie in 1 dargestellt, steht der SQUID-Magnetsensor 1y in symmetrischer Beziehung zu den SQUID-Magnetsensoren 1z und 1x.
Konkret, wie in 1 dargestellt, laufen magnetische Flüsse, die durch das im SQUID-Magnetsensor 1y auftretende Magnetfeld verursacht werden, in die SQUID-Magnetsensoren 1z und 1x ein. Jedoch gehen diese magnetischen Flüsse auch aus den SQUID-Magnetsensoren 1z und 1x heraus. Das heißt, es ist offensichtlich, dass keine Nettomagnetfluss-Kopplung auftritt.
Darüber hinaus bezeichnen gezeigte gestrichelte Linien in 2 Magnetfeldlinien Mz des Rückkopplungsmagnetfeldes, das im SQUID-Magnetsensor 1 z auftritt.
Als nächstes, wie in 2 dargestellt, ist der SQUID-Magnetsensor 1z in paralleler Beziehung zu den SQUID-Magnetsensoren 1x und ly.
Konkret sind die im SQUID-Magnetsensor 1z auftretenden magnetischen Flüsse nicht mit den SQUID-Magnetsensoren 1y und 1x gekoppelt.
Die gezeigten gestrichelten Linien in 3 bezeichnen dann Magnetfeldlinien Mx des Rückkopplungsmagnetfeldes, das im SQUID-Magnetsensor 1x auftritt.
Wie in 3 dargestellt, steht der SQUID-Magnetsensor 1x in symmetrischer Beziehung zum SQUID-Magnetsensor 1z. Aus diesem Grund verursachen die magnetischen Flüsse, die durch das im SQUID-Magnetsensor 1x auftretende Magnetfeld induziert werden, keine Nettomagnetfluss-Kopplung in Bezug auf den SQUID-Magnetsensor 1z.
Darüber hinaus steht der SQUID-Magnetsensor 1x in paralleler Beziehung zum SQUID-Magnetsensor 1y. Aus diesem Grund sind die magnetischen Flüsse, die durch das im SQUID-Magnetsensor 1x auftretende Magnetfeld induziert werden, nicht mit dem SQUID-Magnetsensor 1y gekoppelt.
Als solche, entsprechend der in 1 bis 3 dargestellten Spulenanordnung, stehen die drei SQUID-Magnetsensoren 1x bis 1z in paralleler Beziehung oder in symmetrischer Beziehung zueinander. Im Hinblick darauf ist die in 1 bis 3 dargestellte Anordnung eine Anordnung, in der keine gegenseitige Rückkopplungs-Magnetfeldintereferenz auftritt.
Dies ermöglicht es dem in 1 bis 3 gezeigten Magnetfeld-Messelement E eine deutlich verringerte Rückkopplungs-Magnetfeldinterferenz zwischen den SQUID-Magnetsensoren 1x bis 1x aufzuweisen.
Bei dem Magnetfeld-Messelement E entsprechend der ersten Ausführungsform kann die Höhe des Magnetfeld-Messelements E abgesenkt werden, während die Interferenz zwischen den SQUID-Magnetsensoren 1 verringert wird. Dadurch ist es möglich, die Anzahl effektiver SQUID-Magnetsensoren 1 zu erhöhen, während die Interferenz zwischen den SQUID-Magnetsensoren 1 verringert wird, selbst wenn der Flüssigkeitspegel eines flüssigen Kältemittels aufgrund seiner Verdampfung gesenkt wird.
Darüber hinaus kann eine Magnetfeld-Messeinheit (Kryostat) 10 (5) verkleinert werden, während die Interferenz zwischen den SQUID-Magnetsensoren 1 gering gehalten wird. Dies ermöglicht eine Magnetfeld-Messeinheit (Kryostat) 10 ( 5) mit geringer Interferenz zwischen den SQUID-Magnetsensoren 1 unter Beibehaltung der Transportierbarkeit.
Weiterhin werden in der ersten Ausfuhrungsform die in 31 gezeigten SQUID-Magnetsensoren 1 für das Magnetfeld-Messelement E verwendet. Diese Konfiguration ermöglicht es, die Höhe des Magnetfeld-Messelements E abzusenken während die Interferenz in dem durch die SQUID-Magnetsensoren 1 strukturierten Magnetfeld-Messelement E unter Verwendung von supraleitenden Tieftemperatur-Vorrichtungen verringert wird.
[Zweite Ausführungsform]
4 ist ein Diagramm, das die Positionsbeziehung zwischen SQUID-Magnetsensoren 1 in einem Magnetfeld-Messelement Ea gemäß einer zweiten Ausführungsform darstellt.
In dem in 1 bis 3 gezeigten Magnetfeld-Messelement E sind die SQUID-Magnetsensoren 1x und 1y auf der gleichen Höhe relativ zum SQUID-Magnetsensor 1z angeordnet. Konkret ist das Zentrum des SQUID-Magnetsensors 1y auf der Mittelachse Cx angeordnet. Als solche ist die Höhe des gesamten in 1 bis 3 gezeigten Magnetfeld-Messelements E vermindert. Das heißt, in dem in 1 bis 3 gezeigten Magnetfeld-Messelement E sind die SQUID-Magnetsensoren 1x bis 1z so angeordnet, dass der Abstand von der Unterseite des Magnetfeld-Messelements E (der Spulenoberfläche des SQUID-Magnetsensors 1z) bis zum oberen Ende jedes der SQUID-Magnetsensoren 1x und 1y gleich ist. Jedoch ist die Anordnung solange akzeptabel wie die jeweiligen SQUID-Magnetsensoren 1 in einer parallelen oder symmetrischen Beziehung zueinander sind, wie in 1 bis 3 dargestellt. Somit können die Wirkungen des Magnetfeld-Messelementes E, wie in 1 bis 3 gezeigt, auch dann angewendet werden, wenn die SQUID-Magnetsensoren 1x und 1y nicht auf der gleichen Höhe relativ zur Spulenoberfläche des SQUID-Magnetsensors 1z angeordnet sind.
Beispielsweise kann das Magnetfeld-Messelement Ea so angeordnet werden, wie in 4 dargestellt, dass der Abstand zwischen den jeweils drei SQUID-Magnetsensoren 1x bis 1z der Gleiche ist.
Konkret ist bei dem in 4 gezeigten Magnetfeld-Messelement Ea die Positionsbeziehung zwischen den SQUID-Magnetsensoren 1z und 1x wie die in 1 bis 3 dargestellt. Darüber hinaus ist der SQUID-Magnetsensor 1y wie in 1 bis 3 auf der dritten Ebene angeordnet (auf der Ebene senkrecht zu der Ebene, die die Spulenoberfläche des SQUID-Magnetsensors 1z ist, und der Ebene, die die Spulenoberfläche des SQUID-Magnetsensors 1x ist). Diesbezüglich wird jedoch das Zentrum des SQUID-Magnetsensors 1y von der Mittelachse Cx so verschoben, dass die Abstände zwischen den jeweiligen Zentren der drei SQUID-Magnetsensoren 1x bis 1z gleich sind.
Eine solche Konfiguration kann die Abstände zwischen den SQUID-Magnetsensoren 1 verlängern. Da die Abstände zwischen den SQUID-Magnetsensoren 1 größer gemacht werden, kann die Interferenz zwischen den SQUID-Magnetsensoren 1 kleiner gemacht werden. Es ist zu beachten, dass das Folgende beschreibt, dass, wenn die Abstände zwischen den SQUID-Magnetsensoren 1 größer gemacht werden, die Interferenz zwischen den SQUID-Magnetsensoren 1 kleiner gemacht werden kann.
[Dritte Ausführungsform]
(Magnetfeld-Messsystem Z)
5 stellt Funktionsblöcke als ein Konfigurationsbeispiel eines Magnetfeld-Messsystems Z nach einer Ausfuhrungsform der Erfindung dar.
Das Magnetfeld-Messsystem Z enthält eine Magnetfeld-Messeinheit (Magnetfeld-Messvorrichtung) 10, die ein Kryostat ist, eine Steuerschaltungseinheit 20 und eine Datenverarbeitungseinheit 30. Es ist zu beachten, dass in 5 die Magnetfeld-Messeinheit 10 durch eine schematische Querschnittsansicht dargestellt ist.
Die Magnetfeld-Messeinheit 10 enthält ein Magnetfeld-Messelement E, das als Komponenten eine Vielzahl von SQUID-Magnetsensoren 1 zur Messung eines magnetischen Flusses aufweist.
Darüber hinaus soll die Steuerschaltungseinheit 20 die Magnetfeld-Messeinheit 10 steuern und weist eine FLL-Schaltung 21 und eine FLL-Steuerschaltung 22 auf. Im Folgenden werden die FLL-Schaltung 21 und die FLL-Steuerschaltung 22 beschrieben.
Ferner soll die Datenverarbeitungseinheit 30 Magnetsignale, die von der Magnetfeld-Messeinheit 10 erfasst werden, für Berechnungs-/Analyseverarbeitung aufzeichnen. Die Datenverarbeitungseinheit 30 weist einen AD (Analog/Digital)-Wandler 31 und einen PC (Personal Computer) 32 auf. Es ist zu beachten, dass, obwohl nicht in 5 abgebildet, eine Filterschaltung und/oder eine Verstärkerschaltung (nicht gezeigt) vor dem AD-Wandler 31 eingefügt werden kann, falls erforderlich.
Die Magnetfeld-Messeinheit 10 weist das Magnetfeld-Messelement E enthaltend die drei SQUID-Magnetsensoren 1x bis 1z mit Detektionsachsen in jeweils drei verschiedenen Richtungen auf, wie in 1 bis 4 gezeigt. Weiterhin weist die Magnetfeldmesseinheit 10 eine Sonde 12 auf, die das Magnetfeldmesselement E aufnimmt. Darüber hinaus weist die Magnetfeldmesseinheit 10 einen Deckel 15b und einen Behälter 15a zur Aufnahme eines flüssigen Kältemittels 13 auf, mit dem die jeweiligen SQUID-Magnetsensoren 1x bis 1z gekühlt werden. Der Behälter 15a weist auf der innersten Seite ein Aufnahmeelement 14a für flüssiges Kältemittel auf, bei dem es sich um einen thermisch isolierten Vakuumbehälter handelt. Dann ist die Außenseite des Aufnahmeelements 14a für das flüssige Kältemittel mit einem Außengehäuse 18 versehen. Darüber hinaus ist ein elektromagnetisches Abschirmgewebe 19 zum Abschneiden von Hochfrequenzkomponentensignalen zwischen dem äußeren Gehäuse 18 und dem Aufnahmeelement 14a für flüssiges Kältemittel platziert. Die Innenseite des Außengehäuses 18 des Deckels 15b ist mit dem elektromagnetischen Abschirmgewebe 19 versehen und die weitere Innenseite ist mit einem Isolator 14b aus z.B. Polyethylenschaum versehen. Eine solche Struktur kann das gesamte Innere der Magnetfeld-Messeinheit (Kryostat) 10 vor hochfrequentem Rauschen abschirmen.
Konkret werden die im Magnetfeld-Messelement E enthaltenen SQUID-Magnetsensoren 1x bis 1z an einem Sondenkopf 11 an der Spitze der Sonde 12 befestigt und von diesem aufgenommen.
Darüber hinaus wird flüssiger Stickstoff als flüssiges Kältemittel 13 verwendet. Die Sonde 12 wird in das Aufnahmeelement 14a für flüssiges Kältemittel eingeführt, in dem das flüssige Kältemittel 13 aufbewahrt wird. Eine solche Konfiguration kann zur Kühlung des Magnetfeld-Messelements E (SQUID-Magnetsensoren 1z bis 1z) verwendet werden, das am Sondenkopf 11 an einem Spitzenabschnitt der Sonde 12 montiert ist. Die Sonde 12 wird über ein Kabel 41, das eine vorgegebene Länge (z.B. ca. 1 m) aufweist und mit Steckverbindern 16 am Deckel 15b verbunden ist, mit der FLL-Schaltung 21 verbunden.
Die FLL-Schaltung 21 wurde bereits in 34 beschrieben und die Beschreibung entfällt hier. Der FLL-Steuerschaltung 22 ist eine Schaltung zur Steuerung von FLL. Außerdem gibt die FLL-Steuerschaltung 22 den Ausgang des Integrators 213 der FLL-Schaltung 21 (siehe 34) an den AD-Wandler 31 aus.
Es ist zu beachten, dass die FLL-Schaltung 21 unter Verwendung eines Kabels 42 mit einer vorgegebenen Länge (z. B. ca. 30 m) mit der FLL-Steuerschaltung 22 verbunden ist.
Die FLL-Steuerschaltung 22 gibt als analoge Signale z.B. dreikomponentige Magnetsignale aus. Jedes analoge Signal wird über ein Kabel 40 in den AD-Wandler 31 eingegeben. Der AD-Wandler 31 wird zur Umwandlung des analogen Signals in ein digitales Signal verwendet, das dann in den PC 32 eingegeben wird. Die Daten werden auf einer Festplatte (nicht gezeigt) des PC 32 gespeichert. Der PC 32 überträgt Parameter-Einstellungsinformationen an die FLL-Steuerschaltung 22.
Das Nachfolgende zeigt ein Beispiel, bei dem das Magnetfeld-Messelement E in dieser Ausführungsform an einem Dreikomponenten-Magnetometer zur Metallressourcen-Exploration angewendet wird.
Dieses Dreikomponenten-Magnetometer kann zur Messung der spezifischen Widerstandsverteilung unter der Erde mit der TEM-Methode (Transient Electro-Magnetic) (Transienten- Elektromagnetik) verwendet werden. Bei der TEM-Methode wird eine Schleifenspule, deren Seitengröße mehrere hundert m beträgt, auf die Erdoberfläche gelegt und ein großer Strom von mehreren Dutzend A durch diese Schleifenspule zum Fließen gebracht. Als solches wird ein Magnetfeld (primäres Magnetfeld) an die Erdoberfläche angelegt. Dann wird ein Strom aus diesem Zustand abgeschaltet. Wenn der an die Schleifenspule angelegte Strom abgeschaltet wird, tritt an der Erdoberfläche ein induzierter Strom auf, und der induzierte Strom breitet sich im Laufe der Zeit in der Erde aus. Das Magnetfeld-Messelement E wird zur Messung eines magnetischen Flusses verwendet, der durch ein Magnetfeld (sekundäres Magnetfeld) aufgrund des auf der Erdoberfläche auftretenden induzierten Stroms hervorgerufen wird. Dann kann die untergrundspezifische Widerstandsstruktur aus ihrer Dämpfungscharakteristik abgeschätzt werden. Die sich daraus ergebende spezifische Widerstandsstruktur wird verwendet, um das Vorhandensein oder die Abwesenheit und/oder die Verteilung von metallischen Erzlagerstätten unter der Erde abzuschätzen. Das Etablierte in der bisherigen TEM-Methode ist ein Verfahren zur Messung nur einer Komponente in der vertikalen Richtung (z-Richtung) des durch das sekundäre Magnetfeld hervorgerufenen magnetischen Flusses. Es wurde jedoch vor kurzem versucht, horizontale Komponenten, welche magnetische Flüsse in der x- und y-Richtung sind, zu messen, um die Schätzgenauigkeit der unterirdischen Struktur zu erhöhen. Bei der TEM-Methode ist die Intensität (magnetischer Fluss) des Magnetfeldes in der vertikalen Richtung in Bezug auf den Boden stark, während die Intensitäten der Magnetfelder in den horizontalen Richtungen um mehrere Ordnungen kleiner sind als in der vertikalen Richtung. Dies führt zu einem großen Problem, wenn die Magnetfeldkomponente in der z-Richtung mit den Magnetfeldkomponenten in den horizontalen Richtungen interferiert. Eine Lösung für dieses Problem wird später beschrieben.
(SQUID-Chip 100)
6 ist ein Diagramm, das eine Draufsicht auf einen SQUID-Chip 100 darstellt, der in dieser Ausführungsform verwendet wird. Darüber hinaus ist 7 eine vergrößerte Ansicht eines mit dem Bezugszeichen 110 bezeichneten Abschnitts im SQUID-Chip 100 von 6. Dann ist 8 eine schematische Darstellung des A-A Querschnitts in 7. Es ist zu beachten, dass in 6 bis 8 die gleichen Komponenten wie in der oben beschriebenen 31 die gleichen Bezugszeichen wie in 31 aufweisen.
Wie in 6 und 7 gezeigt weist der SQUID-Magnetsensor 1 vier SQUID-Induktivitäten 8a bis 8d (8), die auf einem Substrat 101 in Reihe geschaltet sind, und eine Detektionsspule 3 auf. Es ist zu beachten, dass die SQUID-Induktivitäten 8a bis 8d (8) und die Detektionsspule 3 zu einer zweiten supraleitenden Schicht 122 gehören.
Der SQUID-Chip 100 weist ein MgO-Einkristallsubstrat (Substrat 101) mit einer Dicke von 0,5 mm auf. Dann wird der SQUID-Magnetsensor 1 auf dem Substrat 101 gebildet. Dieser SQUID-Magnetsensor 1 wird hauptsächlich aus zwei Arten von supraleitenden Schichten gebildet. Die zwei Arten von supraleitenden Schichten sind eine erste supraleitende Schicht 121 und die zweite supraleitende Schicht 122.
Beispielsweise wird für die erste supraleitende Schicht 121 ein supraleitender SmBa₂Cu₃O_y (SmBCO)-Dünnfilm mit einer Filmdicke von 250 nm verwendet. Dann wird ein supraleitender La_0,1-Er_0,95Ba_1,95Cu₃O_y (1IErBCO)-Dünnfilm mit einer Filmdicke von 250 nm für die zweite supraleitende Schicht 122 verwendet.
Es ist zu beachten, dass in 7 die erste supraleitende Schicht 121 durch schräge Linien gekennzeichnet ist.
Hier wird die Herstellung des SQUID-Chips 100 unter Bezugnahme auf 7 und 8 beschrieben.
Zunächst wird die erste supraleitende Schicht 121 auf der gesamten Oberfläche des Substrats 101 abgeschieden. Als nächstes wird eine SrSnO₃-Dünnfilm, bei dem es sich um einen Isolator mit einer Filmdicke von etwa 300 nm handelt, als Zwischenschicht-Isolierfilm 131 auf der gesamten Oberfläche der abgeschiedenen ersten supraleitenden Schicht 121 abgeschieden. Der Zweischichtfilm der ersten supraleitenden Schicht 121 und des Zwischenschicht-Isolierfilms 131 sind zu den Formen der schrägen Abschnitte in 7 mikrobearbeitet. Hier ist, wie in 8 dargestellt, ein Kantenabschnitt 132 des verarbeiteten Zweischichtfilms mäßig geneigt. Dann erscheint, wie in 8 in Bezug auf den Kantenabschnitt 132 gezeigt, auf einer Oberfläche eine Endfläche der ersten supraleitenden Schicht 121, die SmBCO ist und unter dem Zwischenschicht-Isolierfilm 131 liegt. Darauf wird die zweite supraleitende Schicht 122 abgeschieden. Weiterhin wird auf der gesamten Oberfläche des Substrats 101, nämlich der ersten supraleitenden Schicht 121 und der zweiten supraleitenden Schicht 122, ein Au-Dünnfilm 133gebildet, der auch als Oberflächenschutz dient. Danach werden die zweite supraleitende Schicht 122 und der Au-Dünnfilm 133 durch Mikrobearbeitung zu den Formen der SQUID-Induktivitäten 8a bis 8d (8), der Detektionsspule 3, Anschlüsse 4 und Verdrahtung 102 verarbeitet.
Wie in 8 dargestellt, ist jeder kantenabschnitt der SQUID-Induktivitäten 8a bis 8d auf dem kantenabschnitt 132 der ersten supraleitenden Schicht 121 und dem Zwischenschicht-Isolierfilm 131 überlagert. Dann werden, wie in 8 gezeigt, die erste supraleitende Schicht 121 und die zweite supraleitende Schicht 122 auf der SQUID-Induktivität 8 Seite an dem Kantenabschnitt 132 verbunden, um einen Josephson-Kontaktabschnitt 2 zu bilden. Dadurch ist es möglich, die SQUID-Induktivität 8 mit einer geschlossenen Schleifenstruktur zu bilden, die von jeder gestrichelten Linie in 7 umrahmt wird. Das heißt, ein Strom, der durch die SQUID- Induktivität 8 fließt, fließt in der zweiten supraleitenden Schicht 122 und der ersten supraleitenden Schicht 121. Es ist zu beachten, dass der Josephson-Kontakt, der auf einer geneigten Fläche (Rampe) des in 8 gezeigten Kantenabschnitts 132 gebildet wird, als Josephson-Kontakt vom Rampen-Kantentyp bezeichnet wird. Darüber hinaus, wie in 7 und 8 dargestellt, sind die SQUID-Induktivitäten 8a bis 8d an vorbestimmten Stellen mit der Detektionsspule 3 (zweite supraleitende Schicht 122) verbunden.
Die SQUID-Induktivitäten 8a bis 8d (8) und die Detektionsspule 3 weisen eine geschlossene Schleifenstruktur auf, wie oben in 31 beschrieben. Dann fließt ein durch eine Änderung des äußeren Magnetfeldes induzierter Superstrom durch die vier in Reihe geschalteten SQUID-Induktivitäten 8a bis 8d. Die vier SQUID-Induktivitäten 8a bis 8b können jeweils zur Messung eines magnetischen Flusses verwendet werden. Allerdings werden nicht alle der vier SQUID-Induktivitäten 8a bis 8d verwendet. Unter den SQUID-Induktivitäten 8a bis 8d können eine oder mehrere SQUID-Induktivitäten 8 mit der optimalen Messcharakteristik verwendet werden.
Wie oben beschrieben, ist die zweite supraleitende Schicht 122 ein Zweischichtfilm, auf dessen gesamter Oberfläche der Au-Dünnfilm 133 abgeschieden ist und der auch als ein Oberflächenschutz dient. Dementsprechend kann die Verdrahtung über den Au-Dünnfilm 133 mit der zweiten supraleitenden Schicht 122 durch Drahtbonden verbunden werden. Zum Beispiel dient die Detektionsspule 3 der zweiten supraleitenden Schicht 122 auch als die Anschlüsse 5. Wie in 10 dargestellt, kann ein Bonddraht 522 über den Au-Dünnfilm 133 verbunden werden.
Zum Messen eines magnetischen Flusses unter Verwendung des hochtemperatursupraleitenden SQUID-Magnetsensors 1 wird ein Bias-Strom zwischen den Anschlüssen 5 und den Anschlüssen 4, die an die wie oben beschrieben verwendete SQUID-Induktivität 8 angeschlossen sind, zum Fließen gebracht. Dann wird die Spannung dazwischen gemessen.
(Pfostensubstrat 500)
9 ist ein Diagramm, das ein Beispiel für ein Pfostensubstrat 500 darstellt, das in dieser Ausfuhrungsform verwendet wird.
Der in 6 gezeigte SQUID-Chip 100 ist auf dem in 9 gezeigten Pfostensubstrat 500 montiert. Das Pfostensubstrat 500 hat ein Kupfer-Verdrahtungsmuster (nicht gezeigt) auf beiden Seiten eines Glas-Epoxidharz-Substrats 510. Darüber hinaus ist eine doppelt gewickelte Rückkopplungsspule 6 auf einer Oberfläche des Substrats 510 gebildet. Weiterhin sind auf der Oberfläche des Substrats 510 Drahtbondelektroden-Pads 501 zum Verbinden mit dem SQUID-Chip 100 gebildet. Ferner weist eine Rückseite des Substrats 510 Steckverbinder 502 auf, die verwendet werden, um über in 11 bis 14 dargestellte Steckverbinder 304 mit einer Wandler-Grundplatte 305 zu verbinden. Jeder Drahtbondelektroden-Pad 501 und die Rückkopplungsspule 6 sind mit den Steckverbindern 502 verbunden. Es ist zu beachten, dass Abschnitte, die die Steckverbinder 502, die entsprechenden Drahtbondelektroden-Pads 501 und die Rückkopplungsspule 6 verbinden, in 9 nicht abgebildet sind.
10 ist ein Diagramm, das einen Zustand darstellt, in dem der SQUID-Chip 100 auf dem in 9 gezeigten Pfostensubstrat 500 montiert ist. Es ist zu beachten, dass in den folgenden Zeichnungen der Zwischenschicht-Isolierfilm 131 und der Au-Dünnfilm 133 nicht abgebildet sind.
In 10 ist der SQUID-Chip 100 auf dem Pfostensubstrat 500 montiert. Dann werden die Anschlüsse 4 des SQUID-Chips 100 unter Verwendung der Bonddrähte 521 mit den Drahtbondelektroden-Pads 501 verbunden. Weiterhin sind die Detektionsspule 3 und die Drahtbondelektroden-Pads 501 auf dem Pfostensubstrat 500 über die Bonddrähte 522 verbunden.
Da der SQUID-Chip 100 z.B. auf einem Substrat mit einer Dicke von 0,5 mm gebildet wird, liegen die Rückkopplungsspule 6 auf dem Pfostensubstrat 500 und die Detektionsspule 3 des SQUID-Chips 100 um 0,5 mm auseinander.
Es ist zu beachten, dass es wünschenswert ist, in einem geschlossenen Zustand verwendet zu werden, in dem eine aus FRP-Harz (Fiber Reinforced Plastic) (faserverstärktem Kunststoff) gefertigte Kappe 351 das Pfostensubstrat 500 bedeckt. Eine solche Konfiguration kann die Bonddrähte 521 und den SQUID-Chip 100 schützen und deren Schädigung durch Kondensation usw. verhindern.
(Sonde 12A gemäß Vergleichsbeispiel)
11 und 12 sind Diagramme, die ein Beispiel einer Sonde 12A in kubischer Anordnung als Vergleichsbeispiel darstellen. 11 ist ein Diagramm der Sonde 12A in Richtung der y-Achse gesehen. 12 ist ein Diagramm der Sonde 12A in Richtung der z-Achse gesehen.
Für einen Sondenkopf 11A der Sonde 12A sind drei Seiten eines aus FRP gefertigten kubischen Trägerkörpers 301 mit Aufnahmeplatten 302x bis 302z (302) versehen. Steckverbinder 303 sind an jeder Aufnahmeplatte 302 angebracht. Die Steckverbinder 303 jeder Aufnahmeplatte 302 und die Steckverbinder 16 des Deckels 15b sind z.B. unter Verwendung einer Phosphorbronze-gefertigten Verdrahtung 311 verbunden. Diese Verdrahtung 311 ist mit der FLL-Schaltung 21 verbunden (siehe 5).
Die Wandler-Grundplatten 305x bis 305z (305) sind über die Steckverbinder 303 auf die jeweiligen Aufnahmeplatten 302 montiert. Wie oben beschrieben, weist die Rückseite jeder der Wandler-Grundplatten 305x bis 305z die Steckverbinder 303 auf. Darüber hinaus weist die Außenfläche jeder der Wandler-Grundplatten 305x bis 305z die Steckverbinder 304 auf.
Weiterhin ist die Verdrahtung 311 mit jeder Aufnahmeplatte 302 verbunden. So ist die Verdrahtung 311 über jede Aufnahmeplatte 302 mit den Steckverbindern 303, der Wandler-Grundplatte 305, den Steckverbindern 304 und dem SQUID-Magnetsensor 1 auf dem Pfostensubstrat 500 verbunden. Hier, obwohl nicht in 11 und 12 abgebildet, ist der SQUID-Magnetsensor 1x auf dem Pfostensubstrat 500x montiert. Ebenso ist der SQUID-Magnetsensor 1y auf dem Pfostensubstrat 500y montiert und der SQUID-Magnetsensor 1z ist auf dem Pfostensubstrat 500z montiert. Es ist zu beachten, dass nur die Verdrahtung 311, die mit dem SQUID-Magnetsensor 1x verbunden ist, in 11 gezeigt ist, um die Zeichnungen leicht verständlich zu machen. Die Verdrahtung 311 ist jedoch ebenfalls mit den SQUID-Magnetsensoren 1y und 1z verbunden.
Es ist zu beachten, dass, wie in den 6 und 7 dargestellt, der SQUID-Chip 100 mit der Vielzahl von SQUID-Induktivitäten 8 versehen ist. Eine der SQUID-Induktivitäten 8 ist mit der Verdrahtung 311 verbunden.
Jedes Pfostensubstrat 500 (500x bis 500z), auf dem der SQUID-Chip 100 montiert ist, ist an den Steckverbindern 304 jeder der Wandler-Grundplatten 305x bis 305z installiert. Diese Konfiguration ermöglicht eine kubische Anordnung der drei SQUID-Magnetsensoren 1x bis 1z, die jeweils auf den Pfostensubstraten 500x bis 500z montiert sind. Die jeweiligen SQUID-Magnetsensoren 1 unterliegen der kubischen Anordnung, so dass sich die Mittelachsen Cx bis Cz der drei SQUID-Magnetsensoren 1x bis 1z in dem Mittelpunkt des Trägerkörpers 301 schneiden. Es ist zu beachten, dass der Abstand zwischen dem Schnittpunkt der jeweiligen Mittelachsen Cx bis Cz und dem Zentrum der Detektionsspule 3 jedes SQUID-Magnetsensors 1 etwa 35 mm beträgt.
(Sonde 12 gemäß dieser Ausführungsform)
13 und 14 sind Diagramme der in dieser Ausführungsform verwendeten Sonde 12 (Magnetfeld-Messelement E). 13 ist ein Diagramm der Sonde 12 in Richtung der y-Achse gesehen. Darüber hinaus ist 14 ein Diagramm der Sonde 12 in Richtung der x-Achse gesehen. Es ist zu beachten, dass in 13 und 14, die gleichen Komponenten wie in 11 und 12 die gleichen Bezugszeichen aufweisen und ihre Beschreibung weggelassen wird.
Am Sondenkopf 11 der Sonde 12 sind zwei Innenseiten eines aus FRP (faserverstärktem Kunststoff) gefertigten hohlen Trägerkörpers 310 mit den Aufnahmeplatten 302x und 302y versehen. Dann ist die Aufnahmeplatte 302z auf der Bodenfläche des Trägerkörpers 310 platziert. Die drei Pfostensubstrate 500x bis 500z sind über die Steckverbinder 304 und die Wandler-Basisplatten 305x bis 305z auf den jeweiligen Aufnahmeplatten 302x bis 302z montiert.
Es ist zu beachten, dass nur die Verdrahtung 311, die mit dem SQUID-Magnetsensor 1x verbunden ist, in den 13 und 14 gezeigt ist, um die Zeichnungen leicht verständlich zu machen. Die Verdrahtung 311 ist jedoch ebenfalls mit den SQUID-Magnetsensoren 1y und 1z verbunden.
Indes ist, wie in 6 und 7 dargestellt, der SQUID-Chip 100 mit der Vielzahl von SQUID-Induktivitäten 8 versehen. Eine der SQUID-Induktivitäten 8 ist mit der Verdrahtung 311 verbunden.
Dabei ist sie so ausgelegt, dass sich die Mittelachse Cx des SQUID-Magnetsensors 1x und die Mittelachse Cz des SQUID-Magnetsensors 1z zwischen der Detektionsspule 3 und der Rückkopplungsspule 6 des SQUID-Magnetsensors 1x schneiden. Konkret schneiden sich die Mittelachse Cx und die Mittelachse Cz zwischen dem SQUID-Chip 100 und dem Substrat 510 des Pfostensubstrats 500x (siehe 10).
Es ist zu beachten, dass, wie in 14 dargestellt, der Abstand zwischen dem Zentrum der Detektionsspule 3 des SQUID-Magnetsensors 1x und dem Zentrum der Detektionsspule 3 des SQUID-Magnetsensors 1z etwa 35 mm beträgt.
Weiterhin schneiden sich in der Darstellung von 14 die Mittelachse Cy des SQUID-Magnetsensors 1y und die Mittelachse Cz des SQUID-Magnetsensors 1z zwischen der Detektionsspule 3 und der Rückkopplungsspule 6 des SQUID-Magnetsensors 1y; das heißt, die Mittelachse Cy und die Mittelachse Cz schneiden sich zwischen dem SQUID-Chip 100 und dem Substrat 510 des Pfostensubstrats 500y (siehe 10). In der Darstellung von 13 beträgt der Abstand zwischen dem Zentrum der Detektionsspule 3 des SQUID-Magnetsensors 1z und dem Zentrum der Detektionsspule 3 des SQUID-Magnetsensors 1y etwa 22 mm.
Als solches ist es, wenn das Magnetfeld-Messelements E tatsächlich hergestellt wird, aufgrund der technischen Beschränkung bei der Montage schwierig, den SQUID-Magnetsensor 1x auf einer Ebene senkrecht zur Spulenoberfläche des SQUID-Magnetsensors 1z genau zu positionieren. Dasselbe gilt für die SQUID-Magnetsensoren 1y und 1z.
Darüber hinaus ist es auch schwierig, das Zentrum des SQUID-Magnetsensors 1x auf der Mittelachse Cz genau zu positionieren. Dasselbe gilt für den SQUID-Magnetsensor 1y. Weiterhin, wenn die Detektionsspule 3 und die Rückkopplungsspule 6, wie in 6 dargestellt, auf getrennten Substraten gebildet sind, sind die Detektionsspule 3 und die Rückkopplungsspule 6 durch die Substratdicke getrennt.
Als solches ist im eigentlichen Magnetfeld-Messelement E die Positionsbeziehung zwischen den jeweiligen SQUID-Magnetsensoren 1x bis 1z etwas anders als die ideale parallele Beziehung oder symmetrische Beziehung. Dies ruft tatsächlich Rückkopplungs-Magnetfeldinterferenz hervor. Da jedoch die Positionsbeziehung zwischen den jeweiligen SQUID-Magnetsensoren 1x bis 1z näher an die parallele Beziehung oder symmetrische Beziehung zwischen ihren Positionen herangeführt wird, wird der Grad der Interferenz geringer, als wenn dies nicht der Fall wäre. Dieser Gegenstand wird im Folgenden beschrieben.
(Gemessene Ergebnisse)
15 bis 17 zeigen die Ergebnisse der Messung der Interferenz mit jedem SQUID-Magnetsensor 1 unter Verwendung eines Spektrumanalysators (nicht gezeigt), während ein sinusförmiger Strom durch die Rückkopplungsspule 6 des SQUID-Magnetsensors 1 in der in 13 und 14 dargestellten Sonde 12 zum Fließen gebracht wird.
Die Interferenz zwischen der Rückkopplungsspule 6 und den anderen SQUID-Magnetsensoren 1 wurde wie folgt ausgewertet. Die in 15 bis 17 verwendeten SQUID-Magnetsensoren 1 sind wie die in den 13 und 14 gezeigten SQUID-Magnetsensoren 1 angeordnet.
15 bis 17 zeigen die Ergebnisse der Auswertung der Interferenz zwischen der Rückkopplungsspule 6 des SQUID-Magnetsensors 1x und jedem der SQUID-Magnetsensoren 1x bis 1z. Hier wurde ein sinusförmiger Strom mit einer Frequenz von etwa 800 Hz und einer Amplitude von etwa 50 µA durch die Rückkopplungsspule 6 des SQUID-Magnetsensors 1x zum Fließen gebracht. Als nächstes wurde der SQUID-Magnetsensor 1x einer Rückkopplungsregelung unterzogen. 15 zeigt dann die Ergebnisse der Messung eines magnetischen Flusses im SQUID-Magnetsensor 1x selbst, der durch das von der Rückkopplungsspule 6 des SQUID-Magnetsensors 1x induzierte Magnetfeld hervorgerufen wird. In 15 wurde ein Ausgangssignal-Frequenzspektrum gemessen, und die Intensität des Peaks, die bei der Frequenz des durch die Rückkopplungsspule 6 zum Fließen gebrachten Stroms vorhanden ist, wurde auf eine Referenzmagnetsignalintensität eingestellt. Als Ergebnis zeigt 15 auf, dass ein scharfer Peak bei 805 Hz auftrat und der entsprechende magnetische Fluss 2,35 × 10^-9 T/Hz^1/2 in Bezug auf das Magnetfeld betrug.
Als nächstes wurde unter den gleichen Bedingungen die Rückkopplungsregelung des SQUID-Magnetsensors 1x aus dem Zustand abgeschaltet, in dem der Strom durch die Rückkopplungsspule 6 des SQUID-Magnetsensors 1x zum Fließen gebracht wird. Dies liegt daran, dass die Rückkopplungsregelung des SQUID-Magnetsensors 1x ein Fließen eines Rückkopplungsstroms hervorruft, um den Strom, der durch die Rückkopplungsspule 6 zum Fließen gebracht wird, aufzuheben. Dann wurden die Magnetsignale in den SQUID-Magnetsensoren 1y und 1z von der Rückkopplungsspule 6 des SQUID-Magnetsensors 1x in einem Zustand gemessen, in dem die Rückkopplungsregelung des SQUID-Magnetsensors 1x ausgeschaltet war. Jede Magnetsignalintensität war die Intensität jedes Peaks in einem Frequenzspektrum wie in 15.
16 zeigt ein im SQUID-Magnetsensor 1y gemessenes Frequenzspektrum. 17 zeigt ein im SQUID-Magnetsensor 1z gemessenes Frequenzspektrum. Es wurden Form-Peaks mit einer Magnetsignalintensität von 4,74 × 10^-12 T/Hz^1/2 (siehe 16) oder 6,83 × 10^-13 T/Hz^1/2 (siehe 17) erhalten.
Die Stärke der Interferenz wurde als Verhältnis (Magnetsignalintensitätsverhältnis) zwischen der im SQUID-Magnetsensor 1y oder 1z erfassten Magnetsignalintensität und der im SQUID-Magnetsensor 1x mit der Rückkopplungsspule 6 erfassten Magnetsignalintensität definiert, durch die der Strom zum Fließen gebracht wurde. Zum Beispiel wurde die Stärke (das Verhältnis) der Interferenz im SQUID-Magnetsensor 1y, wie sie durch die Rückkopplungsspule 6 des SQUID-Magnetsensors 1x hervorgerufen wird, aus den 15 und 16 als 4,74 × 10^-12 (T/Hz^1/2)/2,35 × 10^-9 ≈ 2,01 × 10^-3 ≈ 1/496 bestimmt.
Messungen wurden ebenfalls wiederholt, wenn ein sinusförmiger Strom durch die Rückkopplungsspule 6 des SQUID-Magnetsensors 1y zum Fließen gebracht wurde und wenn ein sinusförmiger Strom durch die Rückkopplungsspule 6 des SQUID-Magnetsensors 1z zum Fließen gebracht wurde.
Konkret wurde der sinusförmige Strom mit einer Frequenz von etwa 800 Hz und einer Amplitude von etwa 50 µA durch die Rückkopplungsspule 6 des SQUID-Magnetsensors 1y zum Fließen gebracht. Als nächstes wurde der SQUID-Magnetsensor 1y einer Rückkopplungsregelung unterzogen. Dann wurde im SQUID-Magnetsensor 1y selbst ein magnetischer Fluss gemessen, der durch das von der Rückkopplungsspule 6 des SQUID-Magnetsensors 1y induzierte Magnetfeld hervorgerufen wird.
Als nächstes wurde unter den gleichen Bedingungen die Rückkopplungsregelung des SQUID-Magnetsensors 1y aus dem Zustand abgeschaltet, in dem der Strom durch die Rückkopplungsspule 6 des SQUID-Magnetsensors 1y zum Fließen gebracht wird. Unter diesem Zustand wurden die magnetischen Flüsse in den SQUID-Magnetsensoren 1z und 1x gemessen, wie sie durch die Rückkopplungsspule 6 des SQUID-Magnetsensors 1y induziert werden.
Dann wurde die Stärke der Interferenz auf ein Verhältnis zwischen der Magnetsignalintensität, berechnet aus dem im SQUID-Magnetsensor 1z oder 1x gemessenen magnetischen Fluss und dem im SQUID-Magnetsensor 1y selbst gemessenen magnetischen Fluss, eingestellt.
Unter denselben Bedingungen wurde die Stärke der Interferenz auf ein Verhältnis zwischen der Magnetsignalintensität, die aus dem im SQUID-Magnetsensor 1x oder 1y gemessenen magnetischen Fluss berechnet wurde, und der Magnetsignalintensität, die aus dem im SQUID-Magnetsensor 1z selbst gemessenen magnetischen Fluss berechnet wurde, eingestellt.
18 ist eine Tabelle, die die Stärke der Interferenz mit jedem SQUID-Magnetsensor 1 in der Anordnung im Vergleichsbeispiel zeigt. 19 ist eine Tabelle, die die Stärke der Interferenz mit jedem SQUID-Magnetsensor 1 in der in dieser Ausführungsform verwendeten Anordnung zeigt.
Das Vergleichsbeispiel in 18 bezieht sich hier auf die Anordnung der SQUID-Magnetsensoren 1 wie in 11 und 12 gezeigt. Die in dieser Ausführungsform in 19 verwendete Anordnung bezieht sich dann auf die in 13 und 14 gezeigte Anordnung.
Jede Zeile der Tabelle in 18 oder 19 zeigt einen detektierten SQUID-Magnetsensor 1 an. Dann zeigt jede Spalte eine Rückkopplungsspule 6 an, durch die der Strom zum Fließen gebracht wurde.
Zum Beispiel zeigt Spalte 601 in 18 oder Spalte 611 in 19 die Ergebnisse (Magnetsignalintensitätsverhältnisse) an, die durch Messung der magnetischen Flüsse in den SQUID-Magnetsensoren 1x bis 1z erhalten wurden, nachdem der Strom durch die Rückkopplungsspule 6 des SQUID-Magnetsensors 1x zum Fließen gebracht wurde.
Ebenso zeigt Spalte 602 in 18 oder Spalte 612 in 19 die Ergebnisse (Magnetsignalintensitätsverhältnisse) an, die durch Messung der magnetischen Flüsse in den SQUID-Magnetsensoren 1x bis 1z erhalten wurden, nachdem der Strom durch die Rückkopplungsspule 6 des SQUID-Magnetsensors 1y zum Fließen gebracht wurde.
Dann zeigt Spalte 603 in 18 oder Spalte 613 in 19 die Ergebnisse (Magnetsignalintensitätsverhältnisse) an, die durch Messung der magnetischen Flüsse in den SQUID-Magnetsensoren 1x bis 1z erhalten wurden, nachdem der Strom durch die Rückkopplungsspule 6 des SQUID-Magnetsensors 1z zum Fließen gebracht wurde.
Die Anzahl von Kombinationen zwischen dem detektierten SQUID-Magnetsensor 1 und der Rückkopplungsspule 6, durch die der Strom zum Fließen gebracht wurde, ist 9. In diesem Zusammenhang ist nach den obigen Interferenzstärkendefinitionen die Stärke der Interferenz mit dem SQUID-Magnetsensors 1 selbst, durch den der Strom zum Fließen gebracht wurde, 1. Aus diesem Grund ist es angebracht, sechs Kombinationen zu vergleichen, die durch den Ausschluss der Stärke der Interferenz mit dem SQUID-Magnetsensor 1 selbst, durch den der Strom zum Fließen gebracht wurde, erhalten wurden.
Im Fall des Sondenkopfes 11A in kubischer Anordnung, wie in 18 gezeigt, wiesen 4 von 6 Kombinationen Interferenzen größer als 1/1000 auf. Im Gegensatz dazu hatte im Fall des Sondenkopfes 11, auf den die in dieser Ausführungsform gezeigte Anordnung angewendet wurde, nur 1 von 6 Kombinationen Interferenzen gleich oder größer als 1/1000, wie in 19 gezeigt (die Interferenz mit dem SQUID-Magnetsensor 1y, wie sie durch die Rückkopplungsspule 6 des SQUID-Magnetsensors 1x hervorgerufen wird). Insbesondere die mit dem Bezugszeichen 613 bezeichnete Spalte weist deutlich verbesserte Effekte auf.
Im Sondenkopf 11A in kubischer Anordnung, wie in 11 und 12 gezeigt, beträgt der Zwischenraum zwischen dem SQUID-Magnetsensor 1x und dem SQUID-Magnetsensor 1y 35 mm. Im Gegensatz dazu ist im Falle des Sondenkopfes 11, auf den die Anordnung in dieser Ausführungsform angewandt wurde, der Zwischenraum zwischen dem SQUID-Magnetsensor 1x und dem SQUID-Magnetsensor 1y 22 mm und kürzer, wie in 13 gezeigt. Dieser Fall scheint ungünstig zu sein, denn je kürzer der Abstand zwischen den SQUID-Magnetsensoren 1 wird, desto größer werden die Interferenzen. Es ist zu beachten, dass die Abstände zum SQUID-Magnetsensor 1z entweder in der Sonde 12A im Vergleichsbeispiel oder in der Sonde 12 in dieser Ausfuhrungsform 35 mm betragen.
Als solches ist es gemäß dem Magnetfeld-Messelement E (Ea) in der Anordnung in dieser Ausführungsform möglich, die durch die Rückkopplung als Reaktion auf das Magnetfeld in der z-Richtung, welches das stärkste Magnetfeld unter den Magnetfeldern in den drei Richtungen ist, hervorgerufene Interferenz zu verbessern.
[Vierte Ausführungsform]
20 und 21 sind Diagramme einer Sonde 12B (Magnetfeld-Messelement E), die in einer vierten Ausführungsform verwendet wird. 20 ist ein Diagramm der Sonde 12B in Richtung der y-Achse gesehen. Darüber hinaus ist 21 ein Diagramm der Sonde 12B in Richtung der x-Achse gesehen. In 20 und 21 weisen die gleichen Komponenten wie in den 11 bis 14 die gleichen Bezugszeichen auf und ihre Beschreibung wird weggelassen.
In der Sonde 12B wird zur Verbesserung der Interferenz zwischen dem SQUID-Magnetsensor 1x und dem SQUID-Magnetsensor 1y, wie in der Tabelle von 19 angezeigt, der Zwischenraum zwischen dem SQUID-Magnetsensor 1x und dem SQUID-Magnetsensor 1y auf etwa 35 mm verlängert, welcher gleich dem im Fall der Sonde 12A (Vergleichsbeispiel) ist.
Weiterhin wird in einem Trägerkörper 310a als eine Komponente eines Sondenkopfes 11B der Sonde 12B der Zwischenraum zwischen dem SQUID-Magnetsensor 1z und dem SQUID-Magnetsensor 1x oder 1y auf etwa 45 mm verlängert.
Wie zuvor beschrieben, ist bei der TEM-Messung die Stärke des Magnetfeldes in der z-Richtung einige bis mehrere Dutzend Mal größer als die Stärke in der x- oder y-Richtung. Dementsprechend scheint ein großer Strom insbesondere durch die Rückkopplungsspule 6 des SQUID-Magnetsensors 1z zu fließen. Im Hinblick hierauf sollte die Interferenz durch Vergrößerung des Zwischenraums zwischen dem SQUID-Magnetsensor 1z und dem SQUID-Magnetsensor 1x oder 1y verbessert werden.
Dann wurde die Stärke der Interferenz unter Verwendung der Sonde 12B, die in 20 und 21 gezeigt ist, nach dem gleichen Verfahren wie in 15 bis 19 angegeben gemessen.
22 zeigt die gemessenen Ergebnisse.
Der durch die Tabelle in 22 bezeichnete Inhalt ist im Wesentlichen derselbe wie in 18 und 19.
In der Sonde 12B ist das Intervall zwischen dem SQUID-Magnetsensor 1x und dem SQUID-Magnetsensor 1y unter der in 20 gezeigten Anordnung der SQUID-Magnetsensoren 1 eingestellt und sie sind um den gleichen Abstand voneinander entfernt wie in der Sonde 12A kubischen Typs. Diese Konfiguration zeigte eine deutliche Verbesserung der Interferenz mit den SQUID-Magnetsensoren 1x und 1y auf. Darüber hinaus wurde auch die Interferenz zwischen dem SQUID-Magnetsensor 1z und dem SQUID-Magnetsensor 1x oder 1y verbessert, was darauf hinweist, dass der Grad der Interferenz in fast allen Kombinationen gleich oder weniger als 1/2000 war.
Es ist zu beachten, dass in 4 die SQUID-Magnetsensoren 1 so angeordnet sind, dass die Abstände zwischen den SQUID-Magnetsensoren 1 gleich gemacht werden. Eine solche Anordnung kann die Abstände zwischen den SQUID-Magnetsensoren 1 verlängern, ohne die Größe des Magnetfeld-Messelements Ea selbst merklich zu verändern.
[Simulation]
(Parallele Beziehung)
Als nächstes werden die Effekte der Anordnung der SQUID-Magnetsensoren 1 in dieser Ausführungsform durch numerische Simulation demonstriert.
23 ist ein Diagramm, das ein Modell für SQUID-Magnetsensoren 1 darstellt, das in der numerischen Simulation der parallelen Beziehung verwendet wird.
In diesem Modell entspricht die Positionsbeziehung zwischen den beiden SQUID-Magnetsensoren 1 dem Fall der parallelen Beziehung. Zunächst wurde ein Rückkopplungsspulenmodell 421, das der Rückkopplungsspule 6 des SQUID-Magnetsensors 1z entspricht, in einem für die Simulation verwendeten Computer (nicht gezeigt) eingestellt. Dieses Rückkopplungsspulenmodell 421 ist eine quadratische Spule, die eine Seite mit einem Außendurchmesser von 14 mm aufweist. Darüber hinaus beträgt die Dicke dieses Rückkopplungsspulenmodells 421 0,2 mm und der Innendurchmesser einer Seite beträgt 13 mm.
Der Computer berechnete die Verteilung des magnetischen Flusses, der induziert wurde, wenn ein Gleichstrom durch dieses Rückkopplungsspulenmodell 421 zum Fließen gebracht wurde. Weiterhin wurde ein quadratisches z-Richtungs-Detektionsebenenmodell 411, das eine Seite von 13 mm aufweist, an einer Position angeordnet, die direkt über dem Rückkopplungsspulenmodell 421 lag und um 0,5 mm zum Rückkopplungsspulenmodell 421 entfernt war. Das Detektionsebenenmodell 411 stellt eine Ebene der Detektionsspule 3 des SQUID-Magnetsensors 1z dar.
Dann berechnete der Computer die Stärke Bz des Magnetfeldes in der z-Richtung aus dem mit dem Detektionsebenenmodell 411 gekoppelten magnetischen Fluss, wenn ein Strom durch das Rückkopplungsspulenmodell 421 zum Fließen gebracht wurde.
Ferner ist ein Detektionsebenenmodell 412 so eingestellt, dass das Modell um den Abstand Dz in z-Richtung vom Zentrum des Rückkopplungsspulenmodells 421 entfernt ist und die Mittelachse Cx durch das Zentrum verläuft. Das Detektionsebenenmodell 412 stellt die Spulenoberfläche der Detektionsspule 3 des SQUID-Magnetsensors 1x dar. Dabei ist jedoch die linke und rechte Seite in der in 13 bzw. 20 angegebenen Beziehung vertauscht. Das Detektionsebenenmodell 412 weist eine quadratische Form mit einer Seite von 13 mm auf.
Anschließend wurden 3 Simulationen durchgeführt, während der Dz-Wert entweder 9 mm, 22 mm oder 35 mm betrug. Darüber hinaus wird der Schnittpunkt zwischen der Mittelachse Cx des Detektionsebenenmodells 412 und der Mittelachse Cz des Rückkopplungsspulenmodells 421 auf einen Schnittpunkt 431 eingestellt. Als nächstes stellte der Computer den Abstand zwischen dem Schnittpunkt 431 und dem Zentrum des Detektionsebenenmodells 412 auf Dx ein und bewegte das Detektionsebenenmodell 412 horizontal, während das Dx von 0 auf 40 mm verändert wurde. Dann berechnete der Computer den vom Rückkopplungsspulenmodell 421 abgeleiteten magnetischen Fluss, der mit dem Detektionsebenenmodell 412 gekoppelt ist, bei jedem Dx. Danach berechnete der Computer auf der Grundlage dieses magnetischen Flusses die Stärke Bx des Magnetfeldes, das mit dem Detektionsebenenmodell 412 gekoppelt ist. Diese Stärke Bx des Magnetfeldes stellt die Interferenz mit der Detektionsspule 3 des SQUID-Magnetsensors 1x dar, wie sie durch die Rückkopplungsspule 6 des SQUID-Magnetsensors 1z hervorgerufen wird. Schließlich wurde das in 18 und 19 beschriebene normalisierte Bx/Bz zum Berechnen der Dx-Abhängigkeit der Interferenz verwendet.
24 bis 26 sind Kurven, die die Dx-Abhängigkeit in Bezug auf das Bx/Bz zeigen, wie es unter den in 23 dargestellten Bedingungen simuliert wurde. 24 zeigt den Fall von Dz = 9 mm, 25 zeigt den Fall von Dz = 22 mm und 26 zeigt den Fall von Dz = 35 mm. Die vertikal gestrichelten-gepunkteten Linien 711, die in den Diagrammen der 24 bis 26 gezeigt sind, geben Dx an, das gleich Dz ist. Das heißt, der Schnittpunkt zwischen der gestrichelten-gepunkteten Linie 711 und der Kurve entspricht der Interferenz zwischen den SQUID-Magnetsensoren 1 in kubischer Anordnung.
In jedweder der 24 bis 26 ist der Bx/Bz-Wert 0 im Fall von Dx = 0, wenn das Detektionsebenenmodell 412 auf der Mittelachse Cz des Rückkopplungsspulenmodells 421 positioniert ist. Indes, in jedweder der 24 bis 26 gab es die Tendenz, dass, wenn Dx von 0 abwich, Bx/Bz einmal rasch anstieg, bei einem gegebenen Dx das Maximum erreichte und dann allmählich abnahm.
Hier zeigen die gestrichelte Linie 701 in 24 und die gestrichelte Linie 702 in 25 an, dass Bx/Bz = 1/200 ist. Dann zeigen die durchgezogene Linie 703 in 25 und die durchgezogene Linie 704 in 26 an, dass Bx/Bz = 1/1000 ist.
Wenn Dz klein ist wie Dz = 9 mm (24), das heißt, der Abstand zwischen dem SQUID-Magnetsensor 1z und dem SQUID-Magnetsensor 1x kurz ist, ist der Bx/Bz-Wert im Allgemeinen groß. Dass Bx/Bz ≤ 1/200 (gestrichelte Linie 701) ist erfüllt, wenn Dx innerhalb eines kleinen Bereichs in der Nähe von 0 liegt. In dieser Hinsicht, wenn Dx ≥ 27 mm in 24, Bx/Bz ≤ 1/200 (gestrichelte Linie 701) ist erfüllt. Dieses Dx führt jedoch zu einer Beeinträchtigung der Kompaktheit, da das Dx größer ist als im Fall (gestrichelte-gepunktete Linie 711) der SQUID-Magnetsensoren 1 in kubischer Anordnung.
Wenn Dz auf Dz = 22 mm (25) bis Dz = 35 mm (26) zunimmt, nimmt der Bx/Bz-Wert am Allgemeinen ab. Daraus folgt, dass im Fall von Dz = 22 mm ( 25) ein Bereich, in dem Bx/Bz ≤ 1/200 (gestrichelte Linie 702), in einem Bereich liegt, in dem Dx ≤ 3 mm. Damit ist der Bereich, in dem Bx/Bz ≤ 1/200, breiter als der Dx-Bereich, in dem Bx/Bz ≤ 1/200 (gestrichelte Linie 701) in 24.
Hier wird im Fall von Dz = 22 mm (25), dass Bx/Bz ≤ 1/1000 (durchgezogene Linie 703) im Dx-Bereich von Dx ≤ 1 mm oder Dx > 40 mm erfüllt ist. Es ist zu beachten, dass Dx > 40 mm zu einer Beeinträchtigung der Kompaktheit führt, da Dx größer ist als im Fall (gestrichelte-gepunktete Linie 711) der SQUID-Magnetsensoren 1 in kubischer Anordnung, und von der Betrachtung ausgeschlossen ist.
Dann, im Fall von Dz = 35 mm (26), liegt ein Bereich, in dem Bx/Bz ≤ 1/1000 (durchgezogene Linie 704), in einem Bereich, in dem Dx ≤ 3 mm. Dieser Bereich ist breiter als der Bereich, in dem Bx/Bz ≤ 1/1000 (durchgezogene Linie 703), das heißt, Dx < 1 mm wie in 25 gezeigt.
Es kann schwierig sein, die SQUID-Magnetsensoren 1z und 1x ebenfalls so anzuordnen, dass sie perfekt senkrecht zueinander stehen. Das heißt, es kann in Bezug auf technische und kostenmäßige Ausführung schwierig sein, den SQUID-Magnetsensor 1x perfekt auf der Mittelachse Cz anzuordnen. In einem solchen Fall ermöglicht Verlängern des Abstands zwischen den SQUID-Magnetsensoren 1 einen Bereich zu verlängern, in dem die Interferenz klein ist. Der Grund dafür ist, dass das Verlängern des Abstands zwischen den SQUID-Magnetsensoren 1 das Magnetfeld schwächt, das von einem bestimmten SQUID-Magnetsensor 1 den/die anderen SQUID-Magnetsensor(en) 1 erreicht. Dies kann auch einen Spielraum für die Positionierung der SQUID-Magnetsensoren 1 vergrößern. Konkret wird der Freiheitsgrad bei der Anordnung der SQUID-Magnetsensoren 1 erhöht. Wenn beispielsweise eine Interferenz von 1/1000 oder weniger erforderlich ist und die Positionierung von Dx = 0,5 mm oder kleiner möglich ist, kann Dz, wie in 25 gezeigt, etwa 22 mm betragen. Darüber hinaus, wenn die genaue Positionierung von Dx = von 2 bis 3 mm gerade noch möglich ist, kann die Interferenz von 1/1000 oder weniger erreicht werden, indem Dz wie in 26 gezeigt auf etwa 35 mm eingestellt wird.
Wie in den 24 bis 26 gezeigt, macht es die Verlängerung des Abstands zwischen den SQUID-Magnetsensoren 1 möglich, die Interferenz zwischen diesen zu verringern.
Wie oben beschrieben, zeigen die vertikalen gestrichelten-gepunkteten Linien 711, die in den Kurven der 24 bis 26 gezeigt sind, Dx an, das gleich Dz ist. Das heißt, wie oben beschrieben, der Schnittpunkt zwischen der gestrichelten-gepunkteten Linie 711 und der Kurve entspricht der Interferenz zwischen den SQUID-Magnetsensoren 1 in kubischer Anordnung. 24 bis 26 zeigen, dass die Interferenz zwischen den SQUID-Magnetsensoren 1 in paralleler Beziehung kleiner ist als die Interferenz zwischen den SQUID-Magnetsensoren 1 in kubischer Anordnung mit dem gleichen Abstand wie erstere.
(Symmetrische Beziehung)
Im Folgenden werden die Ergebnisse einer numerischer Simulation gezeigt, wenn die Positionsbeziehung zwischen der Detektionsspule 3 und der Rückkopplungsspule 6 eine symmetrische Beziehung ist.
27 ist ein Diagramm, das ein Modell für SQUID-Magnetsensoren 1 darstellt, das bei der numerischen Simulation der symmetrischen Beziehung verwendet wird.
Wie in 27 dargestellt, wird eine quadratische Spule, die eine Seite mit einem Außendurchmesser von 14 mm aufweist, auf ein Rückkopplungsspulenmodell 422 gesetzt, das die Rückkopplungsspule 6 des SQUID-Magnetsensors 1x darstellt. Die Dicke dieses Rückkopplungsspulenmodells 422 ist auf 0,2 mm eingestellt und der Innendurchmesser einer Seite ist auf 13 mm eingestellt. Der Computer berechnete die Verteilung des magnetischen Flusses, der induziert wird, wenn ein Gleichstrom durch dieses Rückkopplungsspulenmodell 422 zum Fließen gebracht wurde. Das quadratische Detektionsebenenmodell 412, das eine Seite von 13 mm aufweist, ist neben diesem Rückkopplungsspulenmodell 422 gesetzt und in x-Richtung um 0,5 mm entfernt ist. Dieses Detektionsebenenmodell 412 entspricht einer Ebene der Detektionsspule 3 des SQUID-Magnetsensors 1x.
Dann berechnete der Computer die Stärke Bx des Magnetfeldes in der x-Richtung aus dem magnetischen Fluss, der mit dem Detektionsebenenmodell 412 gekoppelt war, als ein Strom durch das Rückkopplungsspulenmodell 422 zum Fließen gebracht wurde.
Darüber hinaus ist das quadratische z-Richtungs-Detektionsebenenmodell 411 mit einer Seite von 13 mm an eine Stelle gesetzt, die von der Mittelachse Cx des Rückkopplungsspulenmodells 422 um den Abstand Dz in der z-Richtung entfernt ist. Das Detektionsebenenmodell 411 stellt eine Ebene der Detektionsspule 3 des SQUID-Magnetsensors 1z dar.
Anschließend führte der Computer 3 Simulationen durch, während der Dz-Wert entweder 9 mm, 22 mm oder 35 mm betrug. Weiterhin wurde Dx auf den Abstand zwischen der Mittelachse Cz des Detektionsebenenmodells 411 und dem Rückkopplungsspulenmodell 422 eingestellt und der Computer bewegte das Detektionsebenenmodell 412 horizontal, während Dx von 0 auf 40 mm geändert wurde. Dann berechnete der Computer den mit dem Detektionsebenenmodell 411 gekoppelten magnetischen Fluss bei jedem Dx, während Dz geändert wurde. Danach berechnete der Computer auf der Grundlage dieses magnetischen Flusses die Stärke Bz des Magnetfeldes, das mit dem Detektionsebenenmodell 411 gekoppelt war. Diese Stärke Bz des Magnetfeldes stellt die Interferenz mit der Detektionsspule 3 des SQUID-Magnetsensors 1z dar, wie sie durch die Rückkopplungsspule 6 des SQUID-Magnetsensors 1x hervorgerufen wird. Abschließend wird das in 18 und 19 beschriebene normalisierte Bz/Bx zur Berechnung der Dz-Abhängigkeit der Interferenz verwendet.
28 bis 30 sind Kurven, die die Dx-Abhängigkeit in Bezug auf das Bz/Bx zeigen, wie es unter den in 27 dargestellten Bedingungen simuliert wurde.
Die vertikalen gestrichelten-gepunkten Linien 731, die in den Kurven von 28 bis 30 gezeigt sind, zeigen Dx an, das gleich Dz ist. Das heißt, der Schnittpunkt zwischen der gestrichelten-gepunkteten Linie 731 und der Kurve entspricht der Interferenz zwischen den SQUID-Magnetsensoren 1 in kubischer Anordnung.
28 zeigt den Fall von Dz = 9 mm, 29 zeigt den Fall von Dz = 22 mm und 30 zeigt den Fall von Dz = 35 mm.
Weiterhin zeigt die gestrichelte Linie 721 in 28 an, dass Bz/Bx = 1/200. Dann zeigen die durchgezogene Linie 722 in 28 und die durchgezogene Linie 723 in 29 an, dass Bx/Bz = 1/1000.
In jedweder der 28 bis 30 ist der Bz/Bx-Wert 0 im Fall von Dx = 0, wenn das Rückkopplungsspulenmodell 422 auf der Mittelachse Cz des Detektionsebenenmodells 411 positioniert ist. Indes gab es die Tendenz, dass, wenn Dx von 0 abwich, das Bz/Bx einmal rasch anstieg, bei einem gegebenen Dx das Maximum erreichte und dann allmählich abnahm. Dies ähnelt dem in 24 bis 26 gezeigten Fall der parallelen Beziehung, aber der Bz/Bx-Wert ist generell ein etwa eine Ordnung kleinerer Wert als der Bx/Bz-Wert in 24 bis 26. Aus diesem Grund ist selbst im Fall von Dz = 22 mm das Bz/Bx über den gesamten berechneten Bereich 1/1000 oder kleiner.
Hier zeigen, wie oben beschrieben, die vertikalen gestrichelten-gepunkteten Linien 731, die in den Kurven von 28 bis 30 gezeigt sind, Dx an, das gleich Dz ist. Das heißt, wie oben beschrieben, der Schnittpunkt zwischen der gestrichelten-gepunkteten Linie 731 und der Kurve entspricht der Interferenz zwischen den SQUID-Magnetsensoren 1 in kubischer Anordnung. Als solche zeigen 28 bis 30, dass die Interferenz zwischen den SQUID-Magnetsensoren 1 in symmetrischer Beziehung kleiner ist als die Interferenz zwischen den SQUID-Magnetsensoren 1 in kubischer Anordnung mit dem gleichen Abstand wie erstere.
Die Erfindung wurde oben unter Verwendung der Ausführungsformen beschrieben. Der technische Umfang der Erfindung ist jedoch nicht auf den in den obigen Ausführungsformen beschriebenen Umfang beschränkt. Für diejenigen, die sich auf dem Gebiet auskennen, ist es offensichtlich, dass die oben genannten Ausführungsformen verschiedene Modifikationen oder Verbesserungen erhalten können. Aus der Beschreibung der ANSPRÜCHE geht klar hervor, dass solche modifikations- oder verbesserungsbedingte Ausführungsformen in den technischen Umfang der Erfindung einbezogen werden können.
Es ist zu beachten, dass das Zentrum des in 1 gezeigten SQUID-Magnetsensors 1y zwischen der Mittelachse Cx und der Ebene, die die Spulenoberfläche des SQUID-Magnetsensors 1z ist, angeordnet sein kann (siehe 4).
Während ein dc-SQUID mit zwei Josephson-Kontaktabschnitten 2 als die SQUID-Induktivität 8 in den Ausführungsformen verwendet wird, kann unter Verwendung eines rf-SQUIDs mit einem Josephson-Kontaktabschnitt als die SQUID-Induktivität 8 im Wesentlichen die gleiche Rückkopplungsregelung durchgeführt werden. Somit werden auch bei der Verwendung des rf-SQUIDs die Effekte der vorliegenden Ausführungsformen ermöglicht. Darüber hinaus wird das Dreikomponenten-Magnetometer unter Verwendung von drei Magnetsensoren, das so genannte Vektor-Magnetometer, in den obigen Ausführungen beschrieben. Es ist jedoch unnötig zu sagen, dass die auf einem Dreikomponenten-Magnetometer basierende Konfiguration, z.B. ein Tensorgradiometer, das zwei Sätze von Vektor-Magnetometern als Komponenten aufweist, oder ein Vektor-Magnetometer, das ein Magnetometer zur Korrektur als Komponente aufweist, ebenfalls wirksam ist.
Bezugszeichenliste

1: SQUID-Magnetsensor
1x: SQUID-Magnetsensor (Zweiter SQUID-Magnetsensor)
1y: SQUID-Magnetsensor (Dritter SQUID-Magnetsensor)
1z: SQUID-Magnetsensor (Erster SQUID-Magnetsensor)
2: Josephson-Kontaktabschnitt
3: Detektionsspule
4, 5, 7: Anschluss
6: Rückkopplungsspule
8: SQUID-Induktivität
10: Magnetfeld-Messeinheit (Magnetfeld-Messvorrichtung)
11: Sondenkopf
12: Strömungsabschnitt
13: Flüssiges Kältemittel
15a: Behälter (Kältemittelaufnahmeelement)
15b: Deckel (Kältemittelaufnahmeelement)
17: Magnetfeld-Messelement
20: Steuerschaltungseinheit
21: FLL-Schaltung (FLL Verarbeitungs-Teil)
22: FLL-Steuerschaltung
30: Datenverarbeitungseinheit (Informationsverarbeitungsvorrichtung)
31: A/D-Wandler
32: PC (Informationsverarbeitungsvorrichtung)
Cx bis Cz: Mittelachse (Gerade)
E, Ea: Magnetfeld-Messelement
Z: Magnetfeld-Messsystem

Claims

Magnetfeld-Messelement, das mindestens drei SQUID-Magnetsensoren umfasst, von denen jeder eine aus einem supraleitenden Material hergestellte Detektionsspule, eine SQUID-Induktivität mit einem Josephson-Kontaktabschnitt, die mit der Detektionsspule verbunden ist und aus dem supraleitenden Material hergestellt ist, und eine Rückkopplungsspule, die ein Rückkopplungsmagnetfeld in der Detektionsspule erzeugt, umfasst, wobei die Sensoren umfassen: einen ersten SQUID-Magnetsensor; einen zweiten SQUID-Magnetsensor, der entweder auf einer zweiten Ebene, die senkrecht zu einer ersten Ebene ist, die eine Spulenoberfläche einer Detektionsspule des ersten SQUID-Magnetsensors enthält und die ein Zentrum des ersten SQUID-Magnetsensors enthält, oder in der Nähe der zweiten Ebene angeordnet ist; und einen dritten SQUID-Magnetsensor mit einer Detektionsspule, die entweder auf einer dritten Ebene, die senkrecht zu der ersten Ebene und der zweiten Ebene ist und die das Zentrum der Detektionsspule des ersten SQUID-Magnetsensors enthält, oder in der Nähe der dritten Ebene angeordnet ist, wobei ein Zentrum einer Detektionsspule des zweiten SQUID-Magnetsensors auf einer Geraden, die durch das Zentrum der Detektionsspule des ersten SQUID-Magnetsensors verläuft und senkrecht zu der ersten Ebene ist, oder in der Nähe der Geraden vorhanden ist, und ein Zentrum der Detektionsspule des dritten SQUID-Magnetsensors in einer Position vorhanden ist, die von einer Linie, die das Zentrum der Detektionsspule des ersten SQUID-Magnetsensors und das Zentrum der Detektionsspule des zweiten SQUID-Magnetsensors verbindet, versetzt ist.
Magnetfeld-Messelement nach Anspruch 1, wobei das Zentrum der Detektionsspule des dritten SQUID-Magnetsensors zwischen der ersten Ebene und einer Geraden vorhanden ist, die durch das Zentrum der Detektionsspule des zweiten SQUID-Magnetsensors verläuft und senkrecht zur zweiten Ebene ist.
Magnetfeld-Messelement nach Anspruch 2, wobei ein Abstand zwischen dem Zentrum der Detektionsspule des ersten SQUID-Magnetsensors und dem Zentrum der Detektionsspule des zweiten SQUID-Magnetsensors, ein Abstand zwischen des Zentrums der Detektionsspule des zweiten SQUID-Magnetsensors und des Zentrums der Detektionsspule des dritten SQUID-Magnetsensors, und ein Abstand zwischen dem Zentrum der Detektionsspule des dritten SQUID-Magnetsensors und des Zentrums der Detektionsspule des ersten SQUID-Magnetsensors im Wesentlichen der gleiche Abstand sind.
Magnetfeld-Messvorrichtung umfassend: ein Kältemittelaufnahmeelement zum Aufnehmen eines flüssigen Kältemittels; und das eingesetzte Magnetfeld-Messelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3.
Magnetfeld-Messsystem umfassend: das Magnetfeld-Messelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3; und eine Informationsverarbeitungsvorrichtung, die so eingerichtet ist, dass sie von dem Magnetfeld-Messelement ausgegebene Informationen verarbeitet.