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Hintergrund der Erfindung
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Gebiet der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung betrifft im allgemeinen eine Schaltungsvorrichtung
zum Steuern eines magnetometrischen Sensors und betrifft insbesondere
eine Schaltungsvorrichtung zum Steuern eines SQUIDs (supraleitender
quanten-interferometrischer Detektor), das als ein magnetischer
Fluß-
oder Feldsensor verwendet wird.
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Insbesondere
betrifft die Erfindung eine Schaltungsvorrichtung, wie im Oberbegriff
des Anspruchs 1 angeführt.
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Beschreibung der verwandten
Technik
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Ein
SQUID ist ein hochempfindlicher magnetometrischer Sensor, der extrem
kleine Magnetfelder messen kann, und ist üblicherweise mit einem magnetischen
Flußregelkreis,
einem sogenannten „FLL" versehen, um das
SQUID zu steuern, das als ein magnetometrischer Sensor arbeitet.
Die Treiberschaltung mit dem FLL verwendet ein Nullabgleichsverfahren.
In der Treiberschaltung wird ein Rückkopplungssignal, das aus
einem Spannungssignal erhalten wird, das durch das SQUID detektiert
wird, durch eine Erregerspule zum SQUID zurückgeschickt, und der Arbeitspunkt
des SQUIDs wird automatisch auf null abgeglichen, um auf einem Tief-
oder Hochpunkt der Kenndaten der SQUID-Spannung (U) als Funktion
des magnetischen Flusses (Φ)
verriegelt zu werden, wodurch ein Magnetfeldmeßsignal aus dem Rückkopplungssignal
erhalten wird.
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Andererseits
weist für
ein SQUID-Element an für
sich das SQUID-Element verschiedene fundamentale Betriebskenndaten
wie Spannungs-Strom- (U-I) Kenndaten, die oben erwähnten U-Φ Kenndaten
oder dergleichen auf, und wird folglich unter Verwendung dieser
Kenndaten geprüft
oder ausgewertet.
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Wenn
ein SQUID zusätzlich
mit einem Hochtemperatursupraleiter wie einer supraleitenden Oxidverbindung
ausgebildet ist, wird es ermöglicht,
daß das
SQUID bei einer verhältnismäßig hohen
Temperatur von –196°C des flüssigen Stickstoffs
(N) arbeitet, und folglich leicht gehandhabt werden kann. Folglich
wird die Systemhandhabung dieses Hochtemperaturtyps eines SQUIDs
im Gegensatz zu einem System merklich vereinfacht, das flüssiges Helium
(He) mit einer sehr niedrigen Betriebstemperatur von -269°C verwendet.
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Daher
wird erwartet, daß der
Hochtemperaturtyp eines SQUIDs in verschiedenen Anwendungen entwickelt
und genutzt wird, wie der medizinischen Diagnose, zerstörungsfreien
Prüfung,
Lebensmittelüberwachung,
geologischen Gutachten, und dergleichen, und viele Forscher werden
Anwendungen des SQUIDs erforschen und entwickeln. Um jedoch die
Anwendungen in der Praxis zu erforschen und entwickeln, ist es für diese
Forscher notwendig, ein SQUID zu erhalten, das einen Hochtemperatursupraleiter
verwendet, und daher gibt es eine Hoffnung auf ein leicht verfügbares und
experimentelles supraleitendes Hochtemperatur-SQUID.
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Das
US-Patent
US 4,004,217 offenbart
eine Schaltungsvorrichtung zum Steuern eines magnetometrischen Sensors
(SQUID), die eine magnetometrische Schaltung, eine Auswertungsschaltung
und eine Auswahlschaltung zum Steuern einer der magnetometrischen
Schaltung und der Auswertungsschaltung aufweist.
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Die
europäische
Patentanmeldung EP-A-0 501 241 offenbart eine Schaltungsvorrichtung,
die mit einer ähnlichen
Auswahleinrichtung versehen ist.
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Aufgabe der Erfindung
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Eine
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es im allgemeinen, eine kleine
Schaltungsvorrichtung von praktischem Nutzen bereitzustellen, die
nicht nur ein SQUID als einen Sensor zur magnetischen Messung steuern
kann, sondern auch fundamentale Kenndaten des SQUID-Elements selbst
auswerten kann, das als der magnetometrische Sensor einer alternativen
Weise verwendet wird.
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Diese
Aufgabe wird durch die Merkmale gelöst, die im Anspruch 1 angeführt sind.
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Die
vorliegende Erfindung stellt insbesondere eine kompakte Schaltungsvorrichtung
bereit, die unabhängig
einen Magnetometerschaltungsabschnitt zum Steuern eines SQUIDs als
einen magnetometrischen Sensor und einen Auswertungsschaltungsabschnitt
zur Auswertung von Kenndaten des SQUID-Elements selbst steuern kann,
die unter den Treiber- und Auswertungsschaltungsabschnitten keine
Fehlsteuerungen ausübt,
und das ferner keine physikalischen Mittel zur elektromagnetischen
Abschirmung zwischen diesen Schaltungsabschnitten benötigt.
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Ferner
ist es eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Schaltungsvorrichtung
bereitzustellen, in der in der Praxis nicht nur Betriebskenndaten
eines SQUID-Elements selbst visuell geprüft oder ausgewertet werden
können,
sondern eine in der FLL verwendete Rückkopplungsspule als eine magnetische
Flußerzeugungsspule
zum Anlegen eines Magnetfelds an das SQUID-Element verwendet wird, um die Kenndaten
des Elements wie die Φ-U-Kenndaten
zu erhalten. Indem folglich eine kleine SQUID-Sonde damit verwendet wird, wird ein
guter Zugriff auf die fundamentalen Kenndaten des SQUIDs ermöglicht,
die zu Erforschung und Entwicklung einer magnetischen Meßanwendung,
wie einer physikalischen Messung, zerstörungsfreien Prüfung, biomagnetischen
Messung und dergleichen benötigt werden.
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Daher
betrifft die vorliegende Erfindung eine Schaltungsvorrichtung zum
Steuern eines magnetometrischen SQUID-Sensors, die eine FLL Magnetometerschaltung
zum Steuern des SQUIDs mit einem Wechselspannungssignal als magnetometrischen Sensor,
eine Auswertungsschaltung zur Auswertung der SQUID-Kenndaten und
eine Auswahlschaltung zur Auswahl entweder einer Sensorfunktion
oder einer Auswertungsfunktion aufweist, wobei nur eine der Magnetometer-
und Auswertungsschaltungen aktiviert wird, wenn die Auswahlschaltung
eine der Sensorfunktion und der Auswertungsfunktion auswählt. Folglich
kann die Schaltungsvorrichtung al ternativ entweder als ein Sensor
oder eine Auswertungseinrichtung dienen.
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Um
eine Schaltungsvorrichtung zu verwirklichen, die sowohl eine magnetometrische
Sensorfunktion als auch eine Elementauswertungsfunktion für ein SQUID
aufweist, wird es bevorzugt, daß eine Magnetometerschaltung
des magnetischen Flußmodulationstyps
und eine Auswertungsschaltung des SQUID-Elements zur Ausführung dieser
Funktionen unabhängig
als Schaltungen ausgebildet sind, ohne einen gemeinsamen Schaltungsteil
aufzuweisen, um die Gestaltung der Vorrichtung einfach und die Schaltungsvorrichtung
zuverlässig
zu machen. Zum Beispiel können
diese Schaltungen physikalisch getrennt sein, zum Beispiel auf jeweils
zwei Substraten angeordnet sein, so daß die Schaltungen unabhängig voneinander
arbeiten.
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Im
allgemeinen werden in einer Schaltung zur Auswertung von SQUID-Elementkenndaten
Betriebskenndaten des SQUID-Elements, wie die Kenndaten der SQUID-Spannung
(U) als Funktion des Stroms (I) und die Kenndaten der Spannung (U)
als Funktion des magnetischen Flusses (Φ) geprüft oder ausgewertet, wobei
ein Wechselspannungssignal mit niedriger Frequenz verwendet wird,
zum Beispiel in der Größenordnung
von zehn Hz (Hertz). Andererseits betreibt in einer Magnetometerschaltung
mit einem FLL des magnetischen Flußmodulationstyps ein Wechselspannungssignal
hoher Frequenz, zum Beispiel in der Größenordnung von mehreren oder
mehreren zehn kHz (Kilohertz) das SQUID, um ein Magnetfeldmeßsignal
zu erhalten.
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Wenn
daher diese Schaltungen für
dasselbe SQUID an getrennten Stellen vorgesehen sind, gibt es keine
Probleme gegenseitiger Störungen.
Wenn jedoch dieser Schaltungen zusammen in einer Vorrichtung angeordnet
werden, wirken die Wechselspannungssignale unterschiedlicher Arten
von Frequenzen, die in der Vorrichtung vorhanden sind, als Störquellen
zwischen den Schaltungen und beeinflussen sich gegenseitig schädlich. Um
diese Effekte zu beseitigen, kann eine elektromagnetische Abschirmung zwischen
den Schaltungen vorgesehen werden, jedoch wird die Vorrichtung groß, wenn
diese Abschirmung gewählt
wird.
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Erfindungsgemäß hat die
Auswahlschaltung die Fähigkeit,
abhängig
von der Auswahl einer der Sensor- und Auswertungsfunktionen nur
eine der Magnetometer- und Auswertungsschaltungen zu aktivieren,
um nur ein Wechselspannungssignal zu erzeugen, das für die ausgewählte Funktion
notwendig ist, und nicht das andere Wechselspannungssignal zu erzeugen,
das für
die nicht ausgewählte
Funktion benötigt
wird, um die Erzeugung von Störungen
zu verhindern, wodurch die nicht ausgewählte der Schaltungen nicht
ihr eigenes Wechselspannungssignal auf die andere Schaltung ausübt und es
ermöglicht
wird, daß die
Vorrichtung in ihrem Aufbau vereinfacht wird und klein ist.
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Ein
aktivierter Zustand einer ausgewählten der
Schaltungen wird erfindungsgemäß typischerweise
durch Anlegen einer Spannung an die ausgewählte Schaltung aus ihrer Stromquelle
verwirklicht, während
die Stromversorgung von der anderen nicht ausgewählten Schaltung getrennt bleibt.
Wenn folglich eine Schaltung aktiviert wird, um ihre entsprechende
Funktion auszuführen,
wird kein Wechselspannungssignal, das die Schaltung beeinflußt, durch
die andere Schaltung erzeugt. Um diese Schutzfunktion sicherzustellen,
ist der Stromanschluß der
nicht ausgewählten
Schaltung vorzugsweise nicht nur von der Stromversorgung getrennt,
sondern auch geerdet.
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Erfindungsgemäß sind ferner Übertragungsanschlüsse in den
ersten und zweiten Eingangs-/Ausgangsanschlüssen zum Senden und Empfangen
von Signalen zwischen einer SQUID-Sonde und dem Magnetometer- und
Auswertungsschaltungen vorgesehen, so daß es ermöglicht wird, daß diese Übertragungsanschlüsse Erregersignale
an eine Erregerspule in der SQUID-Sonde anlegen. Die Spule empfängt ein
Rückkopplungssignal von
der Magnetometerschaltung, um hauptsächlich als eine Rückkopplungsspule
zu arbeiten, wie wohlbekannt ist, wenn die Magnetometerschaltung
durch die Auswahlschaltung ausgewählt wird. In der vorliegenden
Erfindung empfängt
die Spule außerdem
das den magnetischen Fluß erzeugen de
Signal aus der Auswertungsschaltung, um benötigte Kenndaten, wie U-Φ zu erhalten,
wenn die Auswertungsschaltung ausgewählt wird. Daher wird kein Magnetfeldanlegungsspulenmittel
benötigt,
das für
die Auswertungsschaltung bestimmt ist, um diese Kenndaten zu erhalten.
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Gemäß eines
weiteren Merkmals der vorliegenden Erfindung bestehen die ersten
und zweiten Eingangs-/Ausgangsanschlüsse aus Verbinderbuchsen mit
der Fähigkeit
zu einer engen Verbindung mit verschiedenen Typen von SQUIDs. Ferner
bestehen auch Auswertungsausgangsanschlüsse aus Verbinderbuchsen, um
den Anschluß von
Signalkabeln aufzunehmen, die mit einer geeigneten Graphikanzeige oder
einem Anzeigemittel, zum Beispiel einem Oszilloskop verbunden sind.
Dadurch ermöglicht
es die Vorrichtung, auf einem Bildschirm die Kenndaten des SQUID-Elements,
wie U-I, U-Φ oder
dergleichen anzuzeigen, die zur Auswertung von Betriebsparametern
des SQUID-Elements oder zur Schulungsausbildung zur SQUID-Forschung
zugeschnitten sind.
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Die
obigen und anderen Aufgaben, Merkmale und Vorteile der vorliegenden
Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung von bevorzugten Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen deutlich
werden.
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Kurze Beschreibung der
Zeichnungen
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1 zeigt
eine allgemeine perspektivische Ansicht einer Anordnung gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung;
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2 zeigt
ein schematisches Schaltungsblockdiagramm gemäß einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung; und
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3A und 3B sind
graphische Darstellungen, die die Kenndaten der SQUID-Spannung (U) als
Funktion des Stroms (I) und des magnetischen Flusses (Φ) als Beispiele
von Kenndaten darstellen, die durch eine Schaltung gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung erhalten werden.
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Detaillierte Erläuterung
der Erfindung
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Kurzdarstellung der Anordnung
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Bezugnehmend
auf 1 wird eine Schaltungsvorrichtung 1 zum
Steuern eines SQUIDs gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung perspektivisch gezeigt, mit einer SQUID-Sonde 2,
die verwendet wird, um mit der Schaltungsvorrichtung 1 einen
Gerätesatz
zu bilden. Die Schaltungsvorrichtung weist eine vergleichsweise
geringe Größe auf,
zum Beispiel 200 mm (Millimeter) breit (Frontalseite), 160 mm lang
(Tiefe) und 60 mm hoch, und enthält
kompakt eine Magnetometerschaltung, eine Elementauswertungsschaltung
und eine Auswahlschaltung, wie im folgenden erläutert wird.
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Auf
der Frontplatte der Schaltungsvorrichtung 1 sind ein Stromquellenschalter 11,
eine Einschaltlampe 12, ein Funktionsschaltmittel 13 zum Wechseln
von Funktionen, wie ein Druckknopfschalter eines Typs mit zwei Stellungen,
ein Meßausgangsanschluß 14,
der durch die Verbinderbuchse gebildet wird, um ein magnetisches
Meßsignal
aufzunehmen, und dergleichen vorgesehen. Das Meßsignal aus dem Anschluß 14 wird
durch ein (nicht gezeigtes) Signalkabel zu einem äußeren Anzeigemittel,
wie einem Aufzeichnungsgerät
für den
magnetischen Fluß oder
das Feld, ein Meßgerät oder eine Anzeigevorrichtung übertragen,
um die Meßergebnisse
anzuzeigen.
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Auf
der Frontplatte gibt es außerdem
zwei Einstellbereiche A und B zum Einstellen von Sensor- und Auswertungsfunktionen.
Der erste Bereich A wird verwendet, um Parameter einzustellen, wenn hauptsächlich die
Sensorfunktion durch das Funktionsschaltmittel 13 ausgewählt wird,
um die Magnetometerschaltung in der Schaltungsvorrichtung 1 zu
aktivieren. Andererseits wird der zweite Bereich B verwendet, um
Parameter einzustellen, wenn hauptsächlich die Auswertungsfunktion
durch das Schaltmittel 13 ausgewählt wird, um die Auswertungsschaltung
in der Schaltungsvorrichtung 1 zu aktivieren.
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Im
ersten Bereich A zum Einstellen der Sensorfunktion ist zum Beispiel
außerdem
ein FLL-Verriegelungs-/Rücksetzschaltmittel
Sf11, wie ein Druckknopfschalter eines Typs
mit zwei Stellungen für
die Verriegelung oder das Rücksetzen
des magnetischen Flußregelkreises
(FLL) in der Magnetometerschaltung vorgesehen. In diesem Bereich
A sind außerdem
Detektionssignalausgangsanschlüsse
zum Senden magnetischer Fluß-
und Spannungsdetektionssignale, um sie auf geeigneten Meßgeräten zu beobachten,
und Knöpfe
zur Steuerung der Sensorparameter, wie des Vormagnetisierungsstroms,
des magnetischen Flusses und dergleichen vorgesehen.
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Im
zweiten Bereich B zum Einstellen der Auswertungsfunktion sind zum
Beispiel Ausgangsanschlüsse
Ti/ϕ und Tv, die durch Verbinderbuchsen gebildet werden,
zum Senden von Kenndatenauswertungssignalen (I/Φ, U) vorgesehen, die zur Anzeige
von Kenndaten der Spannung als Funktion des Stroms (U-I) und der
Kenndaten der Spannung als Funktion des magnetischen Flusses (U-Φ) notwendig sind.
In diesem Bereich B sind außerdem
ein Strom-/Fluß-Schaltmittel
Si/ϕ, wie ein Druckknopfschalter eines Typs mit zwei Stellungen,
zum Wechseln der Ausgangssignale zwischen einem Stromsignal (I)
und magnetischen Flußsignal
(Φ), und
Knöpfe zur
Steuerung von Auswertungsparametern, wie des Stroms, des magnetischen
Flusses und dergleichen vorgesehen. Diese Kenndatenauswertungssignale (I/Φ, U) werden
durch das (nicht gezeigte) Signalkabel zu einer Graphikanzeige,
wie einem Oszilloskop übertragen,
um visuelle graphische Kurven der U-I- und U-Φ-Kenndaten anzuzeigen.
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Zusätzlich sind
zum Beispiel auf der Rückplatte
der Schaltungsvorrichtung 1 erste und zweite Eingangs-/Ausgangsanschlüsse, die
durch Verbinderbuchsen gebildet werden, zur Aufnahme eines Anschlusses
eines Signalkabels 3 und ein Stromquellenanschluß zur Lieferung
von Gleichspannungen mit zum Beispiel +15 Volt und –15 Volt
vorgesehen. Es wird ermöglicht,
daß durch
das Kabel 3 eine SQUID-Sonde 2 selektiv mit den
ersten und zweiten Eingangs-/Ausgangsanschlüssen verbunden wird.
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Die
SQUID-Sonde 2, die in der Form eines langen Zylinders geformt
ist, wie in 1 gezeigt, weist einen SQUID-Sensor 2A auf,
der mit dem Ende verbunden und von ihm entfernt werden kann, das dem
Ende gegenüberliegt,
mit dem das Signalkabel 3 verbunden ist. Der SQUID-Sensor 2A weist
ein SQUID-Element und eine damit versehene Erregerspule als Hauptelemente
auf. Der Sensor kann gebildet werden, indem das SQUID-Element und
die Erregerspule mit Harzmasse auf einem Chipträger mit einem Durchmesser von
17 mm angebracht werden und sie mit einer Kappe abgedeckt werden.
Die Harzmasse stellt eine einfache Handhabung des SQUID-Sensors
und eine lange Verwendung mit einer sehr großen Häufigkeit, zum Beispiel hundert
Mal bereit.
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Das
SQUID-Element kann ein supraleitendes Hochtemperatur-SQUID sein, in dem
ein dünner Film
aus HoBaCuO auf einem Substrat, das aus SrTiO3 hergestellt
wird, unter Verwendung einer Laserabscheidungstechnologie gebildet
wird. Das Herz des SQUID-Elements
ist eine supraleitende Verbindung, die durch Abscheiden des supraleitenden Dünnfilms
auf dem Substrat gebildet wird, der eine Stufe von 0,2 μm (Mikrometern)
aufweist. Diese Art SQUID-Element liefert eine Spitzenleistung bei
hoher Auflösung,
zum Beispiel einem Fünfzigmillionstel
(2 × 10–8)
des Erdmagnetismus.
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Detail der Schaltungen
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Nun
auf 2 bezugnehmend, wird ein schematisches Schaltungsblockdiagramm
der Schaltungsvorrichtung 1 gemäß einer Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung gezeigt, wobei die SQUID-Sonde 2 verwendet
wird, um einen Gerätesatz
mit der Schaltungsvorrichtung 1 zu bilden. Die Schaltungsvorrichtung 1 ist
eine elektronische Schaltung, die eine Magnetometerschaltung 1A,
eine Auswertungsschaltung 1B, eine Auswahlschaltung 1C und
eine Stromversorgungsschaltung 1D umfaßt.
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Die
Magnetometerschaltung 1A ist mit einem sogenannten „FLL" versehen, um die
SQUID-Sonde 2 als einen magnetometrischen Sensor mit magnetischer
Flußmodulation
zu steuern. Zu diesem Zweck weist die Schaltung 1A eine
Vormagnetisierungsstromquellenschaltung 15 zur Erzeugung
eines Vormagnetisierungswechselstroms für das SQUID, der eine verhältnismäßig hohe
Frequenz f1 von zum Beispiel 1 kHz aufweist,
eine Spannungserhöhungsschaltung 16 zur
Aufwärtstransformation
und Verstärkung
eines Spannungssignals, das durch das SQUID detektiert wird, einen
Phasendetektor 17, eine Rückkopplungsverstärkerschaltung 18 zum
Erzeugen eines Magnetfeldmeßsignals
am Meßausgangsanschluß 14 und
eine Oszillatorschaltung 19 zur Erzeugung eines Modulationswechselspannungssignals
auf, das eine hohe Frequenz f2 von zum Beispiel
40 kHz aufweist. Die Rückkopplungsverstärkerschaltung 18 ist
mit einem Rücksetzschalter 18s versehen,
der durch das FLL-Verriegelungs-/Rücksetzschaltmittel Sf11 betätigt
wird, und umfaßt
einen Rückkopplungswiderstand 18f.
Zusätzlich
ist die Vormagnetisierungsstromquellenschaltung 15 vorgesehen,
um einen Vormagnetisierungsgleichstrom zu erzeugen.
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Die
Magnetometerschaltung 1B weist eine Niederfrequenzquelle 20 zur
Erzeugung eines Wechselspannungssignals mit einer niedrigen Frequenz
f3 von zum Beispiel 15 Hz, eine Treiberstromversorgungsschaltung 21,
eine Erregerstromversorgungsschaltung 22 und eine Spannungsverstärkerschaltung 23 auf,
die ein Spannungssignal vom SQUID verstärkt und das verstärkte Signal
als ein Spannungssignal U zum Spannungsausgangsanschluß Tv sendet.
Obwohl die Treiberstromversorgungsschaltung 21 und die
Erregerstromversorgungsschaltung 22 dieselben Funktionen
aufweisen, abhängig von
der I/Φ-Auswahl
durch das Strom-/Fluß-Schaltmittel Si/ϕ ihre
Ausgänge
(I, Φ)
auf einen konstanten Wert oder ein Wechselspannungssignal mit der
Frequenzkomponente f3 umzuschalten, weisen
diese Schaltungen 21 und 22 ihre Umschaltaktionen
invers zueinander auf.
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Wenn
nämlich
die Auswertungsschaltung 1A aktiviert ist, liefert die
Treiberstromversorgungsschaltung 21 einen Betriebsstrom
an das SQUID, und die Erregerstromversorgungsschaltung 21 liefert
einen Erregerstrom an eine Erregerspule 2C im SQUID-Sensor 2A.
Wenn das Strom-/Fluß-Schaltmittel
Si/ϕ in einer ersten Position „i" angeordnet ist, wird der Betriebsstrom
der Schaltung 21 so gesteuert, daß er mit einer niedrigen Frequenz
f3 variiert, die auf dem Wechselspannungssignal
aus der Frequenzquelle 20 beruht, und es wird auch ein
entsprechendes Stromsignal I an die Strom-/Flußausgangsanschlüsse Ti/ϕ geschickt.
Wenn das Schaltmittel Si/ϕ in einer zweiten Position „f" angeordnet ist,
wird der Betriebsstrom der Schaltung 21 so gesteuert, daß er einen
vorgegebenen konstanten Wert aufweist. Andererseits wird der Erregerstrom
der Erregerschaltung 22 so gesteuert, daß er einen
vorgegebenen konstanten Wert aufweist, wenn das Schaltmittel Si/ϕ in
der ersten Position „i" angeordnet ist. Und
wenn das Schaltmittel Si/ϕ in der zweiten Position „f" angeordnet ist,
wird der Erregerstrom so gesteuert, daß er mit der Frequenz f3 variiert, und es wird ein entsprechendes
magnetisches Flußsignal Φ an die
Anschlüsse
Ti/ϕ geschickt.
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Die
Auswahlschaltung 1C ist eine Schalterschaltung zur Umschaltung
der Stromversorgung abhängig
von den Positionen des Funktionsschaltmittels 13. Eine
Versorgungsgleichspannung von zum Beispiel +15 Volt und –15 Volt
wird durch die Stromschalterschaltung 1D von der äußeren Gleichstromquelle
an diese Schaltung 1C geschaltet. Die Schaltung 1C legt
die Gleichspannung selektiv an die Magnetometerschaltung 1A oder
die Auswertungsschaltung 1B an, und erdet den Stromversorgungsanschluß der nicht
ausgewählten
Schaltung 1B oder 1A zwangsweise.
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Die
Stromschalterschaltung 1D verbindet die Versorgungsgleichspannung
aus der Gleichstromquelle mit der Auswahlschaltung 1C und
trennt sie von ihr, und schaltet den Strom an der Lampe 12 abhängig von
den Positionen des Stromschalters 11 an und aus.
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Die
Magnetometer- und Auswertungsschaltung 1A und 1B sind
mit ersten bzw. zweiten Eingangs-/Ausgangsanschlüssen Ta und Tb versehen, die
es ermöglichen,
ein Ende des Signalkabels 3 aufzunehmen, und die an der
Rückplatte
der Vorrichtung 1 angebracht sind, wie oben erwähnt. Die SQUID-Sonde 2 ist
mit dem anderen Ende des Signalkabels 3 verbunden und mit
dem SQUID-Sensor 2A versehen.
Auf den SQUID-Sensor 2A kann der Körper der SQUID-Sonde 2 aufgesteckt
und abgenommen werden, und er umfaßt das SQUID-Element 2B und
die Erregerspule 2C, wie oben erwähnt. Der SQUID-Sensor 2A verbindet
die Magnetometer- oder Auswertungsschaltung 1A oder 1B durch
das Signalkabel 4 und den ersten oder zweiten Eingangs-/Ausgangsanschluß Ta oder
Tb.
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In
dem Beispiel, das in 2 gezeigt wird, wird das eine
Ende des Signalkabels manuell betätigt, um selektiv mit der Magnetometer-
oder Auswertungsschaltung 1A oder 1B verbunden
zu werden, um einen spezifischen SQUID-Sensor 2A selektiv
mit der Magnetometer- oder Auswertungsschaltung 1A oder 1B zu
verbinden. Jedoch ist es auch zulässig, Schaltervorrichtungen
zwischen den Eingangs-/Ausgangsanschlüssen der Magnetometer- und
Auswertungsschaltungen 1A und 1B und einen gemeinsamen
Eingangs-/Ausgangsanschluß zur
Aufnahme eines Endes des Signalkabels 3 zu verwenden. In
diesem Fall werden die Schaltervorrichtungen umgeschaltet, um abhängig vom
Schaltmittel 13 den gemeinsamen Anschluß mit irgendeinem der Anschlüsse der
Magnetometer- und Auswertungsschaltung 1A und 1B zu
verbinden.
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Ferner
wandelt die Gleichstromquelle 4 eine Wechselspannung aus
einer kommerziellen Wechselstromquelle 5 in die Versorgungsgleichspannung um.
In diesem Beispiel, das in 1 gezeigt
wird, befindet sich die Gleichstromquelle 4 außerhalb
der Vorrichtung 1, um zu verhindern, daß die Schaltungen 1A und 1B durch
den Schaltvorgang der Quelle 4 beeinflußt werden. Wenn es jedoch nicht
notwendig ist, eine solche schädliche
Auswirkung durch dieses Umschalten zu berücksichtigen, ist es zulässig, daß sich die
Gleichstromquelle 4 in der Vorrichtung 1 befindet.
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Arbeitsweise
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Die
obenerwähnte
Schaltungsvorrichtung 1 zum Steuern das SQUID-Sensors 2A arbeitet
wie folgt.
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Wenn
die Stromschalterschaltung eingeschaltet wird und das Funktionsschaltmittel 13 an
der ersten Position zur Auswahl der Sensorfunktion angeordnet wird,
um ein Magnetfeld außerhalb
der SQUID-Sonde 2 zu messen, schaltet die Auswahlschaltung 1C die
Magnetometerschaltung 1A ein und die Auswertungsschaltung 1B aus,
und folglich ist die gesamte Auswertungsschaltung 1B einschließlich der
Frequenzquelle 20 nicht aktiviert. Zu dieser Zeit bewirkt
die Auswahlschaltung 1C, daß der Stromversorgungsanschluß der Auswertungsschaltung 1B nicht
nur ausgeschaltet wird, sondern auch geerdet wird, wodurch die Schaltung 1B in
einen nicht aktivierten Zustand gezwungen wird.
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Daher
wird die aktivierte Magnetometerschaltung 1A nicht durch
Störungen
vom Wechselspannungssignal mit der Frequenz f3 der
Auswertungsschaltung 1B nachteilig beeinflußt, und
es wird ermöglicht,
daß diese
Schaltung 1A einen zuverlässigen Sensorbetrieb am magnetischen
Flußregelkreis
des magnetischen Flußmodulationstyps
in der wohlbekannten Weise durchführt, der die Erregerspule 2C als
eine sogenannte „Rückkopplungsspule" verwendet.
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Da
das SQUID-Element 2B durch den Vormagnetisierungswechselstrom
der Frequenz f1 aus der Vormagnetisierungsstromquellenschaltung 15 betrieben
wird, werden die Niederfrequenzstörungen des SQUIDs reduziert.
Folglich wird am Meßanschluß 14 ein
Magnetfeldmeßsignal
erzeugt, das dem äußeren Magnetfeld
genau entspricht, das gemessen werden soll. Auf diese Weise bewirkt
die Schaltungsvorrichtung 1, daß der SQUID-Sensor 2A als
ein magnetometrischer Sensor mit hoher Leistung arbeitet.
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Wenn
das Schaltmittel 13 zur Auswahl der Auswertungsfunktion
in der zweiten Position angeordnet ist, schaltet die Auswahlschaltung 1C die
Auswertungsschaltung 1B ein und die Magnetometerschaltung 1A aus,
und folglich ist die gesamte Magnetometerschaltung 1A,
einschließlich
der Vormagnetisierungsstrom quellenschaltung 15 und der
Oszillatorschaltung 19, nicht aktiviert. Zu dieser Zeit
bewirkt die Auswahlschaltung 1C, daß der Stromversorgungsanschluß der Magnetometerschaltung 1A nicht
nur ausgeschaltet ist, sondern auch geerdet ist, wodurch diese Schaltung 1A in
einen nicht aktivierten Zustand gezwungen wird.
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Daher
wird die aktivierte Auswertungsschaltung 1B nicht nachteilig
durch Störungen
beeinflußt, die
auf Wechselspannungssignale mit den Frequenzen f1 und
f2 der Auswertungsschaltung 1B zurückzuführen sind,
wodurch es ermöglicht
wird, daß diese Schaltung 1B abhängig von
den ausgewählten
Positionen des Strom-/Fluß-Schaltmittels
Si/ϕ zuverlässige
Auswertungseinrichtungsoperationen durchführt.
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Wenn
in der Auswertungsschaltung 1B das Schaltmittel Si/ϕ in
der ersten Position „i" angeordnet ist,
liefert die Erregerstromversorgungsschaltung 22 einen konstanten
Erregerstrom an die Erregerspule 2C im SQUID-Sensor 2A,
um ein bestimmtes Magnetfeld an das SQUID-Element 2B anzulegen,
während
die Treiberstromversorgungsschaltung 21 einen Betriebsstrom,
der mit der Frequenz f3 variiert, an das SQUID-Element 2B liefert,
ebenso wie ein Ablenkstromsignal I, das dem Betriebsstrom entspricht,
an den Strom-/Flußausgangsanschluß Ti/ϕ geschickt wird,
um ein Spannungsdetektionssignal U mit dem Signal I in einem Monitor
abzulenken. Folglich erzeugt die Spannungsverstärkerschaltung 23 das Spannungsdetektionssignal
U für den
Spannungsausgangsanschluß Tv,
das auf ein Spannungssignal zurückzuführen ist,
das durch das SQUID-Element 2B detektiert wird. Dann werden
das Ablenkstromsignal I und das Spannungsdetektionssignal U an den Monitor,
wie ein (nicht gezeigtes) Oszilloskop geliefert, und dies ermöglicht die
Beobachtung der Kenndaten der Spannung als Funktion des Stroms (U-I) des
SQUID-Elements 2B,
wie zum Beispiel in 3-A gezeigt, auf
dem Bildschirm des Oszilloskops.
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Wenn
andererseits das Schaltmittel Si/ϕ in der zweiten Position „ϕ" angeordnet ist,
liefert die Treiberstromversorgungs schaltung 21 einen konstanten
Betriebsstrom an das SQUID-Element 2B, während die
Erregerstromversorgungsschaltung 22 einen Erregerstrom,
der mit der Frequenz f3 variiert, an die
Erregerspule 2C liefert, ebenso wie ein ablenkendes magnetisches
Flußsignal Φ, das dem
Erregerstrom entspricht, an den Anschluß Ti/ϕ gesendet wird,
um ein Spannungsdetektionssignal U mit dem Signal Φ am Oszilloskop
abzulenken, das als Monitor dient. Folglich erzeugt die Spannungsverstärkerschaltung 23 das
Spannungsdetektionssignal U am Spannungsausgangsanschluß Tv, das
auf ein Spannungssignal zurückzuführen ist,
das durch das SQUID-Element 2B detektiert wird. Dann werden
das ablenkende magnetische Flußsignal Φ und das Spannungsdetektionssignal
U an das Oszilloskop geliefert, und dies läßt auf dem Bildschirm des Oszilloskops
eine visuelle Beobachtung der Kenndaten der Spannung als Funktion
des magnetischen Flusses (Φ-U)
des SQUID-Elements 2B zu, wie zum Beispiel in 3-B gezeigt.
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Resultate der Erfindung
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Die
erfindungsgemäße Schaltungsvorrichtung,
die die oben erwähnte
Auswertungsschaltung enthält,
ermöglicht
es, daß das
Oszilloskop die fundamentalen Kenndaten des SQUID-Sensors oder Elements 2A oder 2B,
wie die U-I- und U-Φ-Kenndaten
anzeigt, die in den 3A und 3B gezeigt werden,
um dadurch die SQUID-Parameter zu überwachen, wie den kritischen
Stromwert, die SQUID-Ausgangsspannung und dergleichen. Ferner kann
die Schaltungsvorrichtung eine SQUID-Ausrüstung bereitzustellen, die
für Experimente
und Demonstrationen des SQUID-Betriebs in technischen Instituten
geeignet ist. Folglich wird erwartet, daß die Schaltungsvorrichtung
das Interesse an der Anwendung des Hochtemperatursupraleiter-SQUIDs
auf die Elektronik erhöhen
wird, und die Forschung an weiteren neuen Anwendungen des Hochtemperatur-Halbleiter-SQUIDs
erleichtern wird.