DE4119880A1 - Schaltungsanordnung mit squid zum messen von magnetischem fluss - Google Patents
Schaltungsanordnung mit squid zum messen von magnetischem flussInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsanord
nung mit aus supraleitendem Ring mit inkorporiertem
Josephsonelement bestehendem Supraleitenden-QUANTEN-
Interferenz-Detektor (SQUID) zum Messen von magne
tischem Fluß und mit einem an den Detektor angekop
pelten, elektrischen Schwingkreis, dem eine Auswer
teelektronik nachgeschaltet ist.
Zum Betrieb dieser bekannten Sensoren, beispielsweise
bei biomagnetischen Messungen, werden sie im all
gemeinen an einen elektrischen Parallelschwingkreis,
im folgenden Tankkreis genannt, mit Resonanzfre
quenz f angekoppelt, in welchen wiederum ein Hoch
frequenzstrom mit gleicher Frequenz f eingeprägt
wird. Der supraleitende Ring bedämpft den Tankkreis,
wobei die Größe der Dämpfung vom magnetischen Fluß
durch den supraleitenden Ring abhängig ist. Dadurch
ändert sich der Spannungsabfall über dem Tankkreis,
was zum Auslesen des Sensors verwendet wird.
Zwei verschiedene Arten von HF-SQUIDs sind bekannt.
Der Unterschied liegt in der Abhängigkeit zwischen
dem effektiven Fluß ϕ im SQUID-Ring und dem exter
nen Fluß ϕe die durch den Parameter
charakterisiert wird.
Dabei sind
LS: die Induktivität des SQUD
IC der kritische Strom der Brücke
ϕo : das Flußquantum.
LS: die Induktivität des SQUD
IC der kritische Strom der Brücke
ϕo : das Flußquantum.
Bei ße < 1 spricht man von dissipativem Modus, bei
ße < 1 von dispersivem Modus.
Zu messen ist der Wert der Funktion.
Es ist ferner bekannt, daß für optimalen Betrieb
das Produkt k² Q≈1 sein muß, wobei k der
Kopplungsfaktor zwischen Tankkreis und SQUID und Q
die Güte des Tankkreises ist. Optimaler Betrieb
heißt dabei, daß die Transferfunktion des SQUID
δU/δϕ maximal wird.
Für eine typische Kopplung k=0,14 sollte die Güte
Q des Schwingkreises größer als 50 sein, um die Be
dingung k2Q 1 zu erfüllen. Aber die gemessenen
Werte von Q liegen bei 77 K für ein 20 MHz System
je nach der Qualität des Supralleiters und dem kri
tischen Strom IC des Josephsonkontaktes zwischen
10 und 30.
Eine 5chwierigkeit liegt darin, daß die Anzahl der
Windungen und die Form der Tankspule durch ein ent
sprechendes SQUID weitgehend vorgegeben sind. Die
Güte Q des Schwingkreises kann dafür kaum durch
eine Änderung der Spule erhöht werden.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine Schaltungs
anordnung der eingangs bezeichneten Art zu schaffen,
bei der die aufgezeigten Nachteile vermieden werden.
Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch ge
löst, daß dem Schwingkreis eine Entdämpfungsschal
tung mit einstellbarer positiver Rückkopplung nach
geschaltet ist.
Durch die erfindungsgemäße Entdämpfung des Schwing
kreises kann die Güte Q so eingestellt werden, daß
die Bedingung k2Q ungefähr 1 bei 77 K völlig er
füllt ist und die Funktion δU/δϕ ein Maximum er
reicht.
Eine mögliche Entdämpfungsschaltung kann beispiels
weise der in der Zeichnung dargestellten entsprechen.
Wird ein solcher Schwingkreis mit einem breitbandi
gen Verstärker verbunden, wird die Güte Q bei 77 K
durch die Entdämpfung auf ca. 2000 erhöht, ohne
selbst zu schwingen. Dieser aktive Schwingkreis
kann auch direkt mit einer konventionellen Elektro
nik verbunden werden, wodurch der Wert von Q auf
ca. 200 gesteigert wird.
Die Wirkung der Entdämpfung wird im folgenden für
die beiden Modi, in denen ein SQUID betrieben
werden kann, beschrieben:
Dispersiver Modus.
Dispersiver Modus.
Für ße<1 kann man den Josephsonkontakt als eine äqui;
valente Induktivität LJ annehmen. Die effektive In
duktivität LT(eff) des Schwingkreises wird durch die
Tankspule und das SQUID bestimmt.
LT(eff) = LT [1 - k²LS/(LJ + LS)]
Die Induktivität LJ des Josephsonkontaktes wird
durch den externen Fluß moduliert. Die Abhängig
keit LT(eff) von e kann man entweder durch die Re
sonanzfrequenz oder durch das Rauschspektrum des
Schwingkreises messen.
Eine Änderung der effektiven Induktivität LT(eff)
des Schwingkreises durch eine Flußmodulation wird
bei niedriger Güte bei 77 K kaum registriert. Dies
gelingt allerdings mit der erfindungsgemäßen Ent
dämpfung bei 77 K anhand eines Rauschspektrums des
Schwingkreises.
Durch die Entdämpfung sind mit den Rauschspektren
zwei Effekte, nämlich eine Resonanzfrequenzverschie
bung und eine Änderung der Güte Q durch eine Varia
tion des externen Flusses, zu beobachten.
Für ße≈1 ist die Frequenzverschiebung Δf≈800 kHz
pro ϕ /2 bei f≈27 MHz und die Güteänderung 8 dB.
Dies führt zu der Ausführungsform der erfindungsge
mäßen Schaltungsanordnung, die der zur Detektion
des Meßsignals ein Frequenz-Domodulator (FM) vorge
sehen ist.
Wird ein rf SQUID im dissipativen Modus (βe<1) be
trieben, finden die Quantenübergänge statt, der
SQUID dissipiert die Energie vom Schwingkreis. Ist
die Güte Q des Schwingkreises klein, z. B. Q=20, so
ist bei 77 K die I-U-Kennlinie stark abgerundet mit
außergewöhnlich langen Plateaus.
Durch die Entdämpfung des Schwingkreises wird die
I-U-Kennlinie viel weniger abgerundet und der Wert
der Funktion δU/δΦ wird größer.
Die Amplitude des Signals für ein Film-SQUID bei
65 K mit Entdämpfung ist 3 4mal größer als ohne
Entdämpfung. Bei der Entdämpfung eines massiven
SQUIDs steigt die Amplitude nur etwa um das 1,5fa
che. Dies resultiert daraus, daß eine planare Spule
eine noch geringere Güte als eine zylindrische Spule
hat.
Ist die Bedingung k2Q 1 erfüllt, erreicht der Wert
der Funktion δU/δΦ ein Maximum, das nun vergleich
bar mit dem theoretischen Wert ist, der unabhängig
von der SQUID-Arbeitstemperatur ist. Dies wird bei
Einsatz der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung
erreicht, denn diese Temperaturunabhängigkeit wurde
durch die Entdämpfung festgestellt, d. h. die Werte
von U/ sind bei 4,2 K und bei 77 K vergleichbar.
Für die Induktivität der Tankspule LT≈6·10-7H, die
Betriebsfrequenz ωHF=50π10⁶ Hz und die Gegeninduktivität
M≈2 · 10⁻⁹ ist δU/δΦ≈94 µV/Φo, was auch sehr
gut dem gemessenen Wert entspricht. Die Ursache einer
Abnahme der Signalamplitude des Hf SQUIDs mit wach
sender Temperatur wird durch eine Reduktion der Güte
Q des Schwingkreises erklärt.
Eine durch die die erfindungsgemäße Schaltungsanord
nung bewirkte Verbesserung bezieht sich auch auf
das
Rauschspektrum Sϕ (ω) bzw. das Rauchverhältnis:
Das Rauschspektrum Sϕ (ω) ist eine der wichtigsten
Eigenschaften des SQUIDs. Man erhält Sϕ (ω) durch
die Messung der fluktuierenden Spannung SU (ω) des
SQUID-Signals; mit der jeweiligen Funktion δU/δϕ
für das Spannungsspektrum kann man diese in die
Fluktuation des Flusses umrechnen:
Sϕ (ω) = SU (ω)/(δU/δϕ)2.
Sϕ (ω) = SU (ω)/(δU/δϕ)2.
Daraus resultiert:
Weil der Wert von δU/δϕ durch eine Entdämpfung er höht wird, wird das Flußrauschen reduziert. So zeig te es sich, daß das Rauschen für ein massives SQUID bei 77 K durch die Entdämpfung auf ca. 75% und das für ein Film-SQUID bei 65 K auf die Hälfte reduziert wird.
Weil der Wert von δU/δϕ durch eine Entdämpfung er höht wird, wird das Flußrauschen reduziert. So zeig te es sich, daß das Rauschen für ein massives SQUID bei 77 K durch die Entdämpfung auf ca. 75% und das für ein Film-SQUID bei 65 K auf die Hälfte reduziert wird.
Die erfindungsgmäß dem Schwingkreis nachgeschaltete
Entdämpfungsschaltung führt außerdem zu einer wei
teren Vereinfachung der Auswertung, die im folgen
den dargelegt wird:
Im Fall k2Q»1, der durch die Entdämpfungsschaltung erreicht wird, fällt über dem Schwingkreis schon eine Spannung UHf ab, obwohl der externe Hf Strom IHf=0 ist (der Ursprungspunkt der I-U-Kennlinie des Schwingkreises wird während einer Zunahme der Güte Q entlang der Stromachse nach rechts verschoben). Dadurch bietet sich die Möglichkeit, daß ein SQUID nur durch den Rauschstrom des Schwingkreises ohne einen zusätzlichen Hf Oszillator betrieben werden kann. Eine besondere Ausführungsform der Schaltungs anordnung ist daher erfindungsgemäß gekennzeichnet durch die an die Stelle des sonst üblichen, zusätz lichen rf-Oszillators tretende Entdämpfungsschaltung.
Im Fall k2Q»1, der durch die Entdämpfungsschaltung erreicht wird, fällt über dem Schwingkreis schon eine Spannung UHf ab, obwohl der externe Hf Strom IHf=0 ist (der Ursprungspunkt der I-U-Kennlinie des Schwingkreises wird während einer Zunahme der Güte Q entlang der Stromachse nach rechts verschoben). Dadurch bietet sich die Möglichkeit, daß ein SQUID nur durch den Rauschstrom des Schwingkreises ohne einen zusätzlichen Hf Oszillator betrieben werden kann. Eine besondere Ausführungsform der Schaltungs anordnung ist daher erfindungsgemäß gekennzeichnet durch die an die Stelle des sonst üblichen, zusätz lichen rf-Oszillators tretende Entdämpfungsschaltung.
Bei Einsatz dieser Ausführungsvariante zeigt sich,
daß das vom Rauschstrom des Schwingkreises betrie
bene SQUID für beide Modi (ße<1 und ße<1) beim
ersten rf Arbeitspunkt, für ße<1 sogar auch beim
zweiten und dritten rf Arbeitspunkt, sehr stabil,
d. h. ohne daß der Schwingkreis selbst anfängt zu
schwingen, arbeiten kann.
Eine Ausführungsform der erfindungemäßen Schaltungs
anordnung ist in der Zeichnung dargestellt und wird
im folgenden näher erläutert:
An den in der Zeichnung schematisch dargestellen HF-SQUID, der aus supraleitendem Ring im inkorporier tem Josephsonelement besteht und der vom zu messen den Magnetfluß ϕ 0 durchflossen wird, ist der im einzelnen nicht näher bezeichnete Schwingkreis (Tank kreis) angekoppelt.
An den in der Zeichnung schematisch dargestellen HF-SQUID, der aus supraleitendem Ring im inkorporier tem Josephsonelement besteht und der vom zu messen den Magnetfluß ϕ 0 durchflossen wird, ist der im einzelnen nicht näher bezeichnete Schwingkreis (Tank kreis) angekoppelt.
Am Kondensator des Tankkreises steht die zu messende
5pannung UHf an.
Dem Schwingkreis ist die Entdämpfungsschaltung nach
geschaltet. Sie besteht aus den pnp-Transistoren
T1 und T2, den Festwiderstanden von 10 k/Ω, dem va
riierbaren Widerstand von 22 k Ω und den Kondensa
toren von 10 nF und 100 nF. Die Spannungen +-V be
tragen +6V und -6V.
Die positive Rückkopplung der Entdämpfungsschaltung
erfolgt durch Einstellen des variablen Widerstandes.
Claims (3)
1. Schaltungsanordnung mit aus supraleitendem Ring
mit inkorporiertem Josephsonelement bestehendem
Supraleitenden-QUANTEN-Interferenz-Detektor
(SQUID) zum Messen von magnetischem Fluß und mit
einem an den Detektor angekoppelten, elektrischen
Schwingkreis, dem eine Auswerteelektronik nach
geschaltet ist,
dadurch gekennzeichnet,
daß dem Schwingkreis eine Entdämpfungsschaltung
mit einstellbarer positiver Rückkopplung nachge
schaltet ist.
2. Schaltungsanordnung gemäß Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß für ß0 1 zur Detektion des Meßsignals ein
Frequenz-Demodulator (FM) vorgesehen ist.
3. Schaltungsanordnung gemäß Anspruch 1,
gekennzeichnet durch
die an die Stelle des sonst üblichen, zusätzli
chen Hf Oszillators tretende Entdämpfungsschal
tung.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19914119880 DE4119880C2 (de) | 1991-06-17 | 1991-06-17 | Schaltungsanordnung mit SQUID zum Messen von magnetischem Fluß |
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Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
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DE4119880A1 true DE4119880A1 (de) | 1993-01-07 |
DE4119880C2 DE4119880C2 (de) | 1993-12-23 |
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DE (1) | DE4119880C2 (de) |
Cited By (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN112514158A (zh) * | 2018-05-16 | 2021-03-16 | D-波***公司 | 用于对超导电路中的设备进行寻址的***和方法 |
US11561269B2 (en) | 2018-06-05 | 2023-01-24 | D-Wave Systems Inc. | Dynamical isolation of a cryogenic processor |
US11730066B2 (en) | 2016-05-03 | 2023-08-15 | 1372934 B.C. Ltd. | Systems and methods for superconducting devices used in superconducting circuits and scalable computing |
US11839164B2 (en) | 2019-08-19 | 2023-12-05 | D-Wave Systems Inc. | Systems and methods for addressing devices in a superconducting circuit |
Families Citing this family (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE19513481A1 (de) * | 1995-04-13 | 1996-10-17 | Forschungszentrum Juelich Gmbh | HF-SQUID-Gradiometer mit resonanter Flußfokussierungsstruktur |
DE19517399A1 (de) * | 1995-05-15 | 1996-11-21 | Forschungszentrum Juelich Gmbh | rf-SQUID mit Resonator |
DE19524310A1 (de) * | 1995-07-07 | 1997-01-16 | Forschungszentrum Juelich Gmbh | Impedanzwandler für rf-SQUID-Tankschwingkreis |
Citations (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE2906264B2 (de) * | 1978-06-25 | 1980-08-21 | President Of Tohoku University, Sendai, Miyagi (Japan) | Supraleitender Quanten-Interferenz -Flußmesser |
-
1991
- 1991-06-17 DE DE19914119880 patent/DE4119880C2/de not_active Expired - Fee Related
Patent Citations (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE2906264B2 (de) * | 1978-06-25 | 1980-08-21 | President Of Tohoku University, Sendai, Miyagi (Japan) | Supraleitender Quanten-Interferenz -Flußmesser |
Non-Patent Citations (2)
Title |
---|
PIETSCH, Hans-Joachim: Kurzwellen-Amateur- funktechnik, Franzis-Verlag München, 1979, S. 183-186 * |
SCHUBERT, Karl-Heinz: Amateurfunk, 5. Aufl., Militärverlag der DDR, 1978, S. 189-191 * |
Cited By (7)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US11730066B2 (en) | 2016-05-03 | 2023-08-15 | 1372934 B.C. Ltd. | Systems and methods for superconducting devices used in superconducting circuits and scalable computing |
CN112514158A (zh) * | 2018-05-16 | 2021-03-16 | D-波***公司 | 用于对超导电路中的设备进行寻址的***和方法 |
CN112514158B (zh) * | 2018-05-16 | 2022-04-15 | D-波***公司 | 超导集成电路、控制电路及加载磁通量量子的方法 |
US11879950B2 (en) | 2018-05-16 | 2024-01-23 | D-Wave Systems Inc. | Systems and methods for addressing devices in a superconducting circuit |
US11561269B2 (en) | 2018-06-05 | 2023-01-24 | D-Wave Systems Inc. | Dynamical isolation of a cryogenic processor |
US11874344B2 (en) | 2018-06-05 | 2024-01-16 | D-Wave Systems Inc. | Dynamical isolation of a cryogenic processor |
US11839164B2 (en) | 2019-08-19 | 2023-12-05 | D-Wave Systems Inc. | Systems and methods for addressing devices in a superconducting circuit |
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