HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Gebiet der Erfindung
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Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung
zum Messen eines Magnetfelds unter Verwendung des
Magnetowiderstandseffekts eines supraleitenden Materials.
Beschreibung des Standes der Technik
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Herkömmlicherweise wird zum Erfassen oder Messen eines
Magnetfelds in großem Umfang ein magnetischer Sensor
verwendet, der den Hall-Effekt oder den Magnetowiderstandseffekt
in einem Halbleiter verwendet, oder ein magnetischer Sensor,
der den Magnetowiderstandseffekt in einem magnetischen
Material verwendet. Diese Sensoren verfügen über begrenzte
Auflösung beim Messen eines Magnetfelds von ungefähr 10&supmin;&sup7; T
(10&supmin;³ Gauss). Herkömmlicherweise wurde zum Messen eines
schwachen Magnetfelds ein SQUID (Superconductive Quantum
Interference Device) verwendet. Jedoch erfordern SQUIDs
einen Josephson-Übergang, der eine dünne Isolierschicht
zwischen zwei dünnen Supraleitern verwendet, wodurch eine
hochentwickelte Herstelltechnologie erforderlich ist, und es ist
nicht einfach, SQUID-Bauelemente herzustellen. Darüber
hinaus ist es zum Messen eines Magnetfelds erforderlich, das
SQUID zu kühlen, um Störsignale auszuschließen, und die
Ausgangssignale des SQUIDs müssen verarbeitet werden. Daher ist
es nicht einfach, ein SQUID beim Messen eines Magnetfelds zu
handhaben.
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Die Erfinder haben herausgefunden, daß der
Supraleitungszustand eines Keramiksupraleiter-Elements beim Anlegen eines
kleinen Magnetfelds aufgrund einer Korngrenzeneigenschaft
zusammenbricht und daß das Element einen Widerstand
einnimmt, der abhängig vom Zuwachs des angelegten Magnetfelds
steil ansteigt. Sie schlagen einen neuen Magnetfeldsensor
unter Verwendung des Magnetowiderstandseffekts vor. Siehe
z. B. Japanese Journal of Applied Physics, Vol. 27, No. 5,
Mai 1988, S. 746 - 750, H. Nojima et al: Galvanomagnetic
Effect of an Y-Ba-Cu-O Ceramic Superconductor and Its
Application to Magnetic Sensors. Es wird erwartet, daß ein
magnetischer Sensor unter Verwendung des oben genannten
Keramiksupraleiters einen supraleitenden, magnetischen Sensor mit
hoher Empfindlichkeit und einfacher Funktion und
Handhabbarkeit ergibt, zusätzlich zu einfacher Herstellbarkeit,
teilweise, da der Sensor einen großen Zuwachsfaktor des
spezifischen Widerstands beim Anlegen eines solchen Magnetfelds
aufweist, bei dem der Supraleitungszustand zusammenbricht,
und da die Struktur der Vorrichtung einfach ist und die
Einstellung der Empfindlichkeit der Vorrichtung einfach durch
Anlegen eines Stroms vorgenommen werden kann, teilweise,
weil das Meßausgangssignal einfach erhalten werden kann.
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Jedoch ist das Verhalten des vorstehend angegebenen
supraleitenden Magnetowiderstandselements hinsichtlich des
Widerstands und des angelegten Magnetfelds nichtlinear; daher ist
es schwierig, die Absolutstärke eines angelegten Magnetfelds
auf Grundlage des Widerstandswerts des Elements zu
berechnen.
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Daneben wurden verschiedene Arten von Magnetfeldsensoren
unter Verwendung von Halbleitern mit hoher
Elektronenbeweglichkeit, wie InSb und InAs, und unter Verwendung
ferromagnetischer Metalle wie Fe-Ni, Co-Ni verwendet.
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Bei einem herkömmlichen Magnetfeldsensor unter Verwendung
des vorstehenden Materials ist es jedoch schwierig, ein
schwaches Magnetfeld genau zu messen.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Eine wesentliche Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren
zum genauen Messen der Stärke eines angelegten Magnetfelds
mit einem einfachen magnetischen Sensor zu schaffen.
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Um den vorstehend angegebenen Zweck zu erzielen, ist gemäß
der Erfindung ein Verfahren zum Messen eines Magnetfelds
unter Verwendung eines Magnetowiderstandselements mit dem
Magnetowiderstandseffekt eines Supraleiters dadurch
gekennzeichnet, daß an das Magnetowiderstandselement ein
Vormagnetisierungsfeld unter Verwendung einer Spule angelegt wird,
die mit einer Rückkopplungsspannungsguelle verbunden ist, um
ihm Strom zum Beibehalten des Ausgangssignals des Elements
auf einem konstanten Wert zuzuführen, wobei das angelegte
Magnetfeld durch den der Spule zugeführten Strom gemessen
wird. Die Stärke des Vormagnetisierfelds kann so eingestellt
werden, daß bewirkt wird, daß der Widerstandswert des
Magnetowiderstandselement mit einem eingestellten Widerstandswert
zusammenfällt, bei dem die Empfindlichkeit des Elements hoch
ist. Da die Stärke des Magnetfelds, die dafür sorgt, daß das
Magnetowiderstandselement den vorgegebenen Widerstandswert
einnimmt, vorab bekannt ist, ist es möglich, das
Vormagnetisierungsfeld genau einzustellen, wobei die Eigenschaft des
Magnetowiderstandselements im hochempfindlichen Zustand
verwendet wird, und die Stärke des Magnetfelds kann durch
die Stärke des Stroms durch die Spule wiedergegeben werden,
wodurch das äußere Magnetfeld auf Grundlage der Differenz
zwischen den vorstehend genannten beiden Magnetfeldern
berechnet werden kann.
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Fig. 4 zeigt die typische Charakteristik eines
supraleitenden Magnetowiderstandselements. In Fig. 4 repräsentiert die
horizontale Achse die Stärke des an das Element angelegten
Magnetfelds, und die durchgezogene Linie gemäß der Kurve (a)
repräsentiert den Widerstand des Elements, wie er auf der
linken Vertikalachse bemaßt ist, und die gestrichelte Linie
gemäß Kurve (b) repräsentiert die Widerstandszuwachsrate des
Elements über dem angelegten Magnetfeld, wobei sich die
Bemaßung auf der rechten Vertikalachse befindet.
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Die Kurve (a) zeigt, daß das Magnetowiderstandselement
keinen Widerstand aufweist, wenn das angelegte Magnetfeld
extrem schwach ist, und daß das Element plötzlich über einen
Widerstand verfügt, wenn das angelegte Magnetfeld eine
vorgegebene Stärke überschreitet, und der Widerstand steigt
steil an, wenn das angelegte Magnetfeld stärker wird. Diese
Charakteristik zeigt, daß eine hochgenaue Messung eines
Magnetfelds unter Verwendung des Bereichs in der Kurve (b)
realisiert werden kann, in dem die Zuwachsrate des
Widerstands des Elements steil ist.
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Darüber hinaus zeigt die Kurve (a), daß die Beziehung
zwischen dem Widerstand des Elements und der Stärke des
angelegten Magnetfelds nichtlinear ist und daß es schwierig ist,
den Absolutwert der Stärke des angelegten Magnetfelds genau
zu berechnen.
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Gemäß einer anderen Erscheinungsform der Erfindung ist eine
Vorrichtung zum Messen eines Magnetfelds unter Verwendung
eines Magnetowiderstandselements geschaffen, mit einem
supraleitenden Teil mit schwach koppelnden Korngrenzen, die
dadurch gekennzeichnet ist, daß sie eine Einrichtung zum
Anlegen eines Wechselstrom-Vormagnetisierungsfelds an das
Element sowie eine Einrichtung aufweist, um dem Element eine
Ausgangsspannung zu entnehmen, wie sie durch Anlegen des
Vormagnetisierungsfelds erzeugt wird, als Signal, das die
Stärke des angelegten Magnetfelds repräsentiert.
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Gemäß einer weiteren Erscheinungsform der Erfindung ist eine
Vorrichtung zum Messen eines schwachen Magnetfelds mit einem
supraleitenden Magnetowiderstandselement mit nichtlinearer
Charakteristik zwischen dem Widerstand und dem angelegten
Magnetfeld geschaffen, dadurch gekennzeichnet, daß sie
ferner eine Einrichtung zum Erzeugen eines an das Element
anzulegenden Vormagnetisierungsfeldes sowie eine
Rückkopplungssteuerung für die Erzeugungseinrichtung aufweist, um
das Ausgangssignal des Elements auf einem vorgegebenen Wert
zu halten, wobei von der Rückkopplungssteuerung ein
eingestellter Strom zugeführt wird, der ein Maß für ein an das
Element angelegtes schwaches Magnetfeld ist.
KURZE ERLÄUTERUNG DER ZEICHNUNGEN
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Fig. 1 ist ein schematisches Diagramm, das eine Anordnung
zum Realisieren eines ersten Ausführungsbeispiels des
erfindungsgemäßen Verfahrens zum Messen eines Magnetfelds gemäß
der Erfindung zeigt;
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Fig. 2 ist ein schematisches Diagramm, das eine Anordnung
zum Realisieren eines zweiten Ausführungsbeispiels des
erfindungsgemäßen Verfahrens zum Messen eines Magnetfelds
gemäß der Erfindung zeigt;
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Fig. 3 ist ein schematisches Diagramm, das eine Anordnung
zum Realisieren eines dritten Ausführungsbeispiels des
erfindungsgemäßen Verfahrens zum Messen eines Magnetfelds
gemäß der Erfindung zeigt;
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Fig. 4 ist ein schematisches Diagramm, das
Charakteristikkurven
eines supraleitenden Magnetowiderstandselements
zeigt;
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Fig. 5 ist ein schematisches Diagramm, das ein Beispiel für
eine Anordnung zum Herstellen eines keramischen,
supraleitenden Films zeigt, wie er bei den Ausführungsbeispielen der
Erfindung verwendet wird;
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Fig. 6 ist eine Draufsicht auf ein supraleitendes
Magnetowiderstandselements, wie es bei den Ausführungsbeispielen
verwendet wird;
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Fig. 7 zeigt Charakteristikkurven supraleitender
Magnetowiderstandselemente;
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Fig. 8 ist ein schematisches Diagramm, das die allgemeine
Struktur des supraleitenden Magnetowiderstandselements gemäß
den vorliegenden Ausführungsbeispielen zeigt;
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Fig. 9 ist eine Draufsicht, die ein Ausführungsbeispiel
eines supraleitenden Magnetowiderstandselements zeigt;
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Fig. 10 ist ein Querschnitt zu Fig. 9;
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Fig. 11 ist eine Kurve für die Charakteristik zwischen einer
Gleichstrom-Vormagnetisierung und dem Ausgangssignal eines
supraleitenden Magnetowiderstandselements, wie es bei den
Ausführungsbeispielen verwendet wird;
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Fig. 12 zeigt Kurven für die Charakteristik zwischen dem
Gleichstrom-Vormagnetisierungsfeld und Störsignalen des
supraleitenden Magnetowiderstandselements;
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Fig. 13(a) bis 13(f) sind schematische Diagramme, die die
Verläufe von Ausgangssignalen über Werten der Gleichstrom-
Vormagnetisierung zeigen;
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Fig. 14 ist ein schematisches Diagramm, das den
Betriebspunkt in Fig. 13 zeigt;
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Fig. 15 ist ein Schaltbild eines Lock-in-Verstärkers; und
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Fig. 16 ist eine Kurve für die Ausgangscharakteristik des
Lock-in-Verstärkers über dem Gleichstrom-Magnetfeld.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN
AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
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Als erstes werden ein Verfahren für die Herstellung eines
keramischen, supraleitenden Magnetowiderstandselements, wie
es bei den folgenden Ausführungsbeispielen verwendet wird,
sowie dessen Struktur und Eigenschaft erläutert.
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Fig. 5 zeigt eine Zusammenfassung für das Herstellverfahren
des supraleitenden Magnetowiderstandselements durch ein
pyrolytisches Sprühverfahren.
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Der Keramiksupraleiter-Film wird aus der Verbindung
YBa&sub2;Cu&sub3;O7-δ und einem Substrat 7 aus stabilisertem
Zirkoniumdioxid hergestellt, auf dem der Keramiksupraleiter-Film
ausgebildet wird, und das auf eine Trägerplatte 8 aufgelegt
wird, das von einem Heizer 9 auf 350ºC beheizt wird.
Andererseits werden die Zusammensetzungen von Nitraten der den
Keramiksupraleiter bildenden Elemente, nämlich von
Y(NO&sub3;)&sub3; 6H&sub2;0, Ba(NO&sub3;)&sub2; und Cu(NO&sub3;)&sub2; H&sub2;O, eingewogen, und sie
werden in einer Lösung 10a gelöst, und die Lösung wird im
Tank einer Sprüheinrichtung 10 aufbewahrt. Die aufbewahrte
Lösung wird durch die Sprüheinrichtung 10 durch Luft von
hohem Druck oder Stickstoffgas von hohem Druck in feinen
Nebel überführt und auf das Substrat 7 aufgesprüht. Der das
Substrat 7 erreichende Nebel bildet aufgrund der Wärme des
Substrats 7 eine Keramikschicht. Die Keramikschicht wird an
Luft für 5 Minuten bei 950ºC getempert, wobei ein Film mit
supraleitenden Eigenschaften erhalten wird. Die so erhaltene
Supraleiterschicht zeigt ein Widerstandsverhalten, das
ausgehend von 100 K abnimmt, und der Widerstand geht bei 81 K
verloren, wodurch die Schicht in den Supraleitungszustand
überführt ist.
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Der wie vorstehend angegeben hergestellte Supraleiterfilm
wird durch Einschneiden von Schlitzen 103 durch eine
Maschine, wie in Fig. 6 dargestellt, in Mäanderform ausgebildet,
und Stromanschlüsse 101a und 101b sowie Spannungselektroden
102a und 102b werden durch Verdampfen von Ti auf dem
Supraleiterfilm ausgebildet. Dieser Film wird in einem Gehäuse
aus unmagnetischem Material mit trockenem Stickstoffgas
untergebracht und abgedichtet, wodurch das supraleitende
Magnetowiderstandselement 1 erhalten wird.
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Die Stromanschlüsse 101a und 101b werden mit einer
stabilisierten Stromquelle 2 verbunden, um einen konstanten Strom
hindurchzuführen, und der im supraleitenden
Magnetowiderstandselement 1 erzeugte Widerstand wird durch die Spannung
gemessen, die zwischen den Spannungsanschlüssen 102a und
102b entsteht und die durch ein Voltmeter 104 gemessen wird.
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Fig. 7 zeigt die Charakteristik, wenn der Vorbelastungsstrom
durch das supraleitende Magnetowiderstandselement 1 geändert
wird. Fig. 7 ist ein Diagramm, das gemessen wurde, wenn das
Element bei der Temperatur flüssigen Heliums von 77 K
gehalten wurde, wobei die horizontale Achse der Stärke des an das
Element 1 angelegten Magnetfelds entspricht und die
vertikale Achse dem im Element 1 erzeugten Widerstand entspricht.
Die den jeweiligen Kurven zugeordneten Stromwerte sind die
Vorbelastungsströme, wie sie über die Stromanschlüsse 101a
und 101b an das Element 1 angelegt wurden. Wie es aus den
Diagrammen von Fig. 7 erkennbar ist, steigt der im Element 1
erzeugte Magnetowiderstand entsprechend zu einer Zunahme des
Vorbelastungsstroms an, und das kritische Magnetfeld, ab dem
Widerstand auftritt, wird kleiner.
Erstes Ausführungsbeispiel
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Fig. 1 zeigt das erste Ausführungsbeispiel der Erfindung,
das das supraleitende Magnetowiderstandselement 1 verwendet.
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Das Ausführungsbeispiel ist dergestalt, daß die
Ausgangsspannung des Elements 1 gemessen wird, und ein
Rückkopplungsstrom wird so durch eine Vormagnetisierungsfeld-Spule 4
geleitet, daß die Ausgangsspannung des Elements 1 konstant
gehalten wird, wodurch das externe Magnetfeld durch den Wert
des Vorbelastungsstroms gemessen wird.
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Bei dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel wird das
Element 1 auf 77 K gekühlt, und dem Element 1 wird von der
stabilisierten Stromquelle 2 ein Strom von 1 mA zugeführt.
Die Ausgangsspannung aufgrund des Anlegens des externen
Magnetfelds wird in die Rückkopplungsquelle 3 eingegeben. Die
Eingangsspannung wird mit einer Bezugsspannung verglichen,
und die Rückkopplungs-Spannungsquelle 3 stellt den in der
Spule 4 fließenden Strom, der das Vormagnetisierungsfeld an
das Element 1 anlegt, so ein, daß die Differenz zwischen der
Eingangsspannung und der Bezugsspannung so klein wie möglich
ist.
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Die Spule 4 verfügt über eine solche Struktur, daß ein
Kupferdraht mit zehn Windungen so aufgewickelt ist, daß durch
den durch die Spule 4 geleiteten Strom ein Magnetfeld, wie
es an das Element 1 angelegt wird, von 10&supmin;³ T/A (10 Gauss/A)
erhalten werden kann.
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Bei der vorstehend angegebenen Meßvorrichtung wurde die
Standardausgangsspannung des Elements 1 auf 2 mV
eingestellt, und der Strom durch die Spule 4 zum Anlegen des
Magnetfelds wurde zum Verringern der Differenz zur
Standardspannung durch Betätigen der Rückkopplungs-Spannungsquelle 3
eingestellt. Bei der Anordnung des ersten
Ausführungsbeispiels betrug die Stromauflösung 10 µA und aufgrund des
Störsignalpegels betrugt die magnetische Auflösung 10&supmin;&sup8; T
(10&supmin;&sup4; Gauss)
Zweites Ausführungsbeispiel
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Das zweite Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in Fig. 2
dargestellt.
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Das zweite Ausführungsbeispiel ist im wesentlichen dasselbe
wie das erste Ausführungsbeispiel mit der Ausnahme, daß eine
Modulationsmagnetspule 5 hinzugefügt ist, um an das Element
zusätzlich zum Gleichstrom-Vormagnetisierungsfeld ein
Wechselstrom-Vormagnetisierungsfeld anzulegen, wobei nur die
Wechselspannungskomponente der Ausgangsspannung des Elements
1 an die Rückkopplungsquelle 3 angelegt wird, so daß der
Strom durch die Spule 4 zum Anlegen des
Vormagnetisierungsfeldes so eingestellt wird, daß die Ausgangsspannung des
Elements 1 auf dem Wert der Standardspannung gehalten wird.
Der Betrieb dieser Vorrichtung ist im wesentlichen derselbe
wie der beim ersten Ausführungsbeispiel, mit der Ausnahme
der vorstehend angegebenen zwei Punkte, und eine Erläuterung
für dieselbe Funktion wird hierbei weggelassen.
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Beim zweiten Ausführungsbeispiel wurde eine Ausgangsspannung
mit einer Wechselspannungsamplitude von 2 mV im Element 1
erhalten, wenn ein Wechselstrom mit einem Spitzenwert von
1 mA und 100 Hz an die Modulationsspule 5 angelegt wurde.
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Das Wechselausgangssignal konnte synchron mit der Periode
des modulierenden Magnetfelds verstärkt werden, und im
Ergebnis konnten Störungen verringert werden, wodurch eine
magnetische Auflösung von 10&supmin;&sup9; T (10&supmin;&sup5; Gauss) realisiert
werden konnte.
Drittes Ausführungsbeispiel
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Fig. 3 zeigt das dritte Ausführungsbeispiel der Erfindung.
Das dritte Ausführungsbeispiel ist im wesentlichen dasselbe
wie das erste Ausführungsbeispiel, mit der Ausnahme, daß dem
Vorbelastungsstrom ein wechselspannungsmäßig modulierter
Strom hinzugefügt wird und daß dem Element 1 nur die
Wechselspannungskomponente entnommen wird, was dasselbe wie beim
zweiten Ausführungsbeispiel ist. Das Ausgangssignal des
Elements 1 wurde synchron verstärkt, und die
Magnetfeldauflösung betrug 5 x 10&supmin;&sup9; T (5 x 10&supmin;&sup5; Gauss), aufgrund der
Störung durch den Vorbelastungsstrom durch das Element 1.
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Die vorigen Ausführungsformen werden nur als Beispiele zum
Ausführen des erfindungsgemäßen Verfahrens der
Magnetfeldmessung unter Verwendung eines supraleitenden
Magnetowiderstandselements angegeben, jedoch ist das erfindungsgemäße
Verfahren nicht auf die speziellen Einzelheiten der obigen
Ausführungsbeispiele beschränkt.
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Obwohl der Keramiksupraleiter-Film beim supraleitenden
Magnetowiderstandselement bei den vorigen
Ausführungsbeispielen als ein Y-Ba-Cu-O-Film erläutert ist, der durch ein
pyrolytisches Sprühverfahren hergestellt wurde, können die
Materialien beliebige Supraleitermaterialien aus Bi-Sr-Ca-
Cu-O und Tl-Ba-Ca-Cu-O sein, solange die Materialien an den
Korngrenzen schwache Kopplung und stark nichtlineare
Empfindlichkeit gegen ein Magnetfeld aufweisen, und als
Filmherstellverfahren kann ein Sputterverfahren, ein
Elektronenstrahlverfahren
oder ein CVD-Verfahren verwendet werden.
Viertes Ausführungsbeispiel
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Fig. 9 zeigt ein weiteres Beispiel für ein supraleitendes
Magnetowiderstandselement, wie es beim vierten
Ausführungsbeispiel der Erfindung verwendet wird, bei dem das Element 1
als solches im wesentlichen dasselbe wie das in Fig. 6
dargestellte Element ist, mit der Ausnahme, daß die
stabilisierte Stromquelle 2 über einen Stromregler 6 mit dem
Element 1 verbunden ist. Gleiche Teile in Fig. 6 und Fig. 9
sind mit denselben Bezugszahlen versehen, und eine
detaillierte Beschreibung derselben wird hier weggelassen.
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Der Keramiksupraleiter-Film bei diesem Ausführungsbeispiel
wurde so hergestellt, daß Y(NO&sub3;)&sub3; 6H&sub2;O, Ba(NO&sub3;)&sub2; und
Cu(NO&sub3;)&sub2; H&sub2;O eingewogen und in einer Lösung gelöst wurden,
und die Lösung wurde im Tank einer Sprüheinrichtung 10
aufbewahrt. Die aufbewahrte Lösung wurde durch die
Sprüheinrichtung 10 durch Luft unter hohem Druck oder Stickstoffgas
unter hohem Druck in feinen Nebel überführt und auf das
Substraht 7 aufgesprüht. Der das Substrat 7 erreichende Nebel
bildete durch die Wärme des Substrats 7, das auf 600ºC
erhitzt wurde, eine Keramikschicht. Der Supraleiterfilm wurde
mit einer Dicke von 10 µm hergestellt, und er wurde einer
Wärmebehandlung an Luft unterzogen.
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Gute Ergebnisse können erzielt werden, wenn der
Supraleiterfilm mit einer Dicke von 1 µm bis 10 µm hergestellt wird.
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Das in Fig. 9 dargestellte supraleitende
Magnetowiderstandselement 1 wird im Zentrum zweier Spulen 15 und 16
angeordnet, wie in Fig. 8 dargestellt, die Vormagnetisierungsfelder
in derselben Richtung anlegen. Messungen durch die in Fig. 8
dargestellte Anordnung erfolgten in einem magnetisch
abgeschirmten
Raum.
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Die Spule 15 wird mit einer Wechselspannungsquelle 17
verbunden, und die Spule 16 wird mit einer
Gleichspannungsquelle 18 verbunden, um ein Wechselmagnetfeld und ein
Gleichmagnetfeld an das Element 1 anzulegen.
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Fig. 11 zeigt ein Beispiel für die Ausgangscharakteristik
des vorstehend angegebenen Elements 1. Die
Ausgangscharakteristik in Fig. 11 wurde unter der Bedingung erhalten, daß
den Stromanschlüssen 101a und 101b des Elements 1 ein
Vorbelastungsstrom von 10 mA zugeführt wurde und daß durch die
Spule 16 das Gleichstrom-Vormagnetisierungsfeld angelegt
wurde. Die vertikale Achse in Fig. 11 zeigt das
Ausgangssignal des Elements 1, und die horizontale Achse in Fig. 11
zeigt die Stärke des Gleichstrom-Vormagnetisierungsfelds.
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In Fig. 12 zeigt die vertikale Achse im Diagramm die Stärke
von Störsignalen im Ausgangssignal des Elements 1 bei
verschiedenen Frequenzen, wenn das Element unter derselben
Bedingung betrieben wird, wie für Fig. 11 dargelegt, wobei das
Gleichstrom-Vormagnetisierungsfeld so verändert wird, wie
dies entlang der horizontalen Achse in Fig. 12 dargestellt
ist.
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Aus Fig. 12 ist erkennbar, daß die Änderung der Störsignale
am Element 1 durch die Änderung der Stärke des angelegten
Magnetfelds klein ist, daß jedoch die Störsignale bei einer
niedrigen Frequenz unter einigen Hertz relativ groß ist,
wodurch Fig. 12 zeigt, daß eine genaue Messung von
Gleichmagnetfeldern und solcher geringer Frequenz schwierig ist.
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Gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel können
Gleichmagnetfelder und solche geringer Frequenz genau ohne den
Störeffekt beim Meßverfahren, wie es für die bereits
angegebenen
mehreren Ausführungsbeispiele dargelegt wurde,
gemessen werden.
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Die Fig. 13(a) bis (f) zeigen
Wechselspannungs-Signalverläufe bei einem Ausführungsbeispiel der Erfindung für die in
Fig. 8 dargestellte Anordnung, wobei durch die Spule 15 ein
sinusförmiges Magnetfeld von ± 100 x 10&supmin;&sup7; T (± 100
Milligauss) von 100 Hz, wie in Fig. 13(a) dargestellt, an das
Element 1 angelegt wird.
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Im Zustand, bei dem der Spule 15 Wechselstrom zugeführt
wird, wird der Spule 16 ein vorgegebener Gleichstrom
zugeführt. Wenn verschiedene Stärken des
Gleichstrom-Vormagnetisierungsfelds, wie durch die Punkte A, B, C und D in Fig.
14 dargestellt, mit den in Verbindung mit Fig. 11
erläuterten Eigenschaften angelegt werden, sind die Signalverläufe,
wie sie sich am Ausgang des Elements 1 entsprechend den
obigen Stärken des Magnetfelds ergeben, dergestalt, wie in den
Fig. 13(b), (c), (d), (e) und (f) dargestellt.
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Die vorstehend angegebenen Ausgangssignale und die das
Wechselmagnetfeld erzeugenden Signale werden in einen Lock-in-
Verstärker eingegeben, und da nur die Komponente von 100 Hz
schmalbandig entnommen wird, wird es möglich, den
Effektivwert von Störsignalen herunterzudrücken.
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Der allgemeine Aufbau des Lock-in-Verstärkers ist in Fig. 15
dargestellt. Das Ausgangssignal von den Spannungsanschlüssen
102a und 102b des Elements 1 wird von einem Verstärker 31
20-fach verstärkt und in den Lock-in-Verstärker eingegeben.
Andererseits wird das Signal des Sinuswellengenerators von
100 Hz als Bezugseingangssignal verwendet.
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32 bezeichnet einen PLL-Kreis, an den eine Bezugsspannung
angelegt wird.
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Das Prinzip des Lock-in-Verstärkers ist das folgende.
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Es sei angenommen, daß das Eingangssignal Vs und das
Bezugssignal Vr durch die folgenden Gleichungen repräsentiert
sind:
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Vr = A cos (ωr t + Θ) (1)
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Vs = cos (ωs t) (2)
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mit A: Konstante; ωr: Winkelgeschwindigkeit des
Bezugssignals; Θ: Phasenwinkel; ωs: Winkelgeschwindigkeit des
Eingangssignals.
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Durch Multiplizieren der obigen zwei Gleichungen in einem
phasenempfindlichen Detektor 33 kann das folgende Signal
Vpsd erhalten werden:
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Vpsd = Acos(ωrt+Θ) cos(ωst)
= A/2cos[(ωr+ωs)t+Θ]+A/2cis[(ωr-ωs)t+Θ] (3).
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Da ωr = ωs gilt, wird der zweite Term der Gleichung (3) eine
Gleichspannungskomponente. Da die Wechselspannungskomponente
des ersten Terms von Gleichung (3) durch ein Tiefpaßfilter
34 entfernt wird, ist das Ausgangssignal VLP des
Tiefpaßfilters 34 das folgende:
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VLP = A/2 cos Θ.
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Um VLP maximal zu machen, wird der Lock-in-Verstärker so
eingestellt, daß die Phasendifferenz zwischen dem
Bezugssignal und dem Eingangssignal Null wird. Wie oben angegeben,
ist es möglich, die Gleichspannungskomponente aus der durch
das angelegte Wechselspannungsfeld erzeugten
Frequenzkomponente zu entnehmen.
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In Fig. 16 ist das Meßergebnis so dargestellt, daß die
horizontale Achse für die Stärke des
Gleichstrom-Vormagnetisierungsfelds verwendet wird, wenn der an die Spule 16
angelegte Strom verändert wird und die vertikale Achse als
Ausgangssignal des Lock-in-Verstärkers verwendet wird. In Fig.
16 wird die differentielle magnetische Empfindlichkeit am
Arbeitspunkt durch das angelegte Gleichmagnetfeld als
Ausgangssignal des Lock-in-Verstärkers gemessen. Wenn jedoch
das Gleichmagnetfeld nahezu Null ist, sind die
Signalverläufe solche, wie sie in den Fig. 13(c), (d), (e) dargestellt
sind, und zwar aufgrund der Ausgangseigenschaften des
supraleitenden Magnetowiderstandselements 1, und es ergibt sich,
daß beim vorliegenden Ausführungsbeispiel ein linearer
Abschnitt besteht. Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung
können Magnetfelder vom Gleichzustand bis zu einigen Hertz mit
einer Genauigkeit von 0,1 x 10&supmin;&sup7; T (0,1 Milligauss) dadurch
gemessen werden, daß die Zeitkonstante des Tiefpaßfilters 34
auf 100 Millisekunden gesetzt wird, wobei der lineare
Abschnitt verwendet wird.
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Die Erfindung ist nicht auf das obige Ausführungsbeispiel
beschränkt, sondern es ist möglich, den Meßbereich des zu
messenden Magnetfelds sowie die Meßgenauigkeit dadurch zu
verändern, daß der Vorbelastungsstrom für das supraleitende
Magnetowiderstandselement, die Stärke des
Wechselvorbelastungsstroms, dessen Frequenz oder das Vorhandensein oder
Fehlen des Gleichstrom-Vormagnetisierungsfeldes sowie die
Änderung der Stärke des Gleichstrom-Vormagnetisierungsfeldes
eingestellt werden.
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Das Wechselstrom-Vormagnetisierungsfeld und das Gleichstrom-
Vormagnetisierungsfeld können durch eine Spule dadurch
erzeugt werden, daß der einen Spule ein Wechselstrom und ein
Gleichstrom zugeführt werden.
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Es ist auch möglich, ein Magnetfeld zu messen, dessen
Frequenz größer als einige Hertz ist, und zwar durch Einstellen
der Zeitkonstante des Tiefpaßfilters des
Lock-in-Verstärkers.
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Es ist möglich, die Spule zum Anlegen der
Vormagnetisierungsfelder in Dünnfilmform auf dem Substrat auszubilden,
auf dem das supraleitende Magnetowiderstandselement
vorhanden ist, wodurch es möglich ist, den Magnetfeld-Meßvorgang
zu stabilisieren und die Herstellung der
Magnetfeld-Meßvorrichtung zu erleichtern.
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Vorstehend wurden neuartige Merkmale beschrieben, zu denen
der Fachmann erkennt, daß sie zu Vorteilen führen. Es
handelt sich um unabhängige Erscheinungsformen der Erfindung,
wie sie durch die beigefügten Ansprüche definiert sind.