SE433887B - Med supraledande kvantuminterferens arbetande magnetflodesmetare av flerfrekvenstyp - Google Patents

Description

55 40 79008 44- 7 v Den enklaste SQUID:en består av en supraledande cylinder 11 med ett avsmalnat parti, som bildar en svag supraledande del 12 (kallad svagkopplingselement), såsom visas i fig 1-1.

En supraledande kritisk ström Ic flyter genom svagkopplings- elementet 12, vars supraledning reduceras till normal ledning, när en ström överstigande Ic flyter genom elementet. Genom på- läggning av ett yttre magnetflöde øx 14 parallellt med SQUID~ -cylinderns axel alstras en inducerad ström I, som flyter runt cylindern, såsom anges genom beteckningen 13, och ett inre magnetflöde ø inuti cylindern, såsom anges genom beteckningen . h a Pig 1-II visar den elektriska ekvivalenta kretsen för SQUID:en. Denna är en sluten krets, som bildas av induktorn L och svagkopplingselementet 12, markerade med beteckningarna 11 resp 12. Pig Z-I och 2-II visar respektive ändringar i det inre magnetflödet d och den inducerade strömmen I, vilka uppträder vid påläggníng av ett magnetflöde øx utifrån på SQUID:en. När magnetflödet øx påläggs från utsidan, flyter först en dia- magnetisk ström I genom cylindern, eftersom svagkopplings- elementet 12 befinner sig i det supraledande tillståndet (såsom anges genom (a) i fig 2-II); vilket håller magnetflödet d i cylindern vid noll (såsom anges genom (a) i fig 2-I). När det yttre magnetflödet øx ökar till øc=LIc, blir ledningsförmågan hos svagkopplingselementet tillfälligt normal, varvid det inre magnetflödet ø ändras till øo, såsom anges av (b) i fig 2-I och 2¥II. _ _ När magnetflödet øx reduceras, återgår I till Ic, och d blir noll, varvid SQUID:en förbrukar effekt under denna ändring, så- som anges av (c) och (dl i fig 2-I och 2-II.

Pig 3 återger ett exempel på en typisk elektrisk krets av den konventionella magnetflödesmätaren med SQUID. En växel- strömskälla 34 matar en växelström med frekvensen fï till en SQUID 32 genom en resonanskrets 31 med frekvensen fï. Vid grad- vis ökning av växelströmmen ökar resonanskretsens spänning först i motsvarande grad. När emellertid den i SQUID:en 32 inducerade strömmen uppnår värdet Ic, börjar SQUID:en att för- bruka effekt, varefter resonanskretsens 31 spänning V ej längre ökar med ökande växelström.

Vid ytterligare ökning av växelströmmen med frekvensen fï från växelströmskällan 34 börjar spänningen V återigen att öka. 40 79008 44- 7 Den kritiska spänning Vc, vid vilken ökningen i spänningen V upphör, ändras med líkströmsmagnetflödet øx under en period do, sasom visas i fig 2.

En avstämningsförstärkare 35 med frekvensen fï och en fas- läst detektor 36 förstärker och detekterar ändringar i den kritiska spänningen Vc med likströmsmagnetflödet øx. Genom därpå följande omkastad återkoppling av en del av en likutspänníng V37 genom en âterkopplingskrets 38 hålls SQUID:en alltid i till- ståndet ø=0, och likspänningen V37 blir proportíonell mot mag- netflödet øx. En växelströmskälla 39 för detektering matar till SQUID:en 32 en svag växelströmssignal, vars frekvens är avse- värt lägre än frekvensen fï, varvid den faslåsta detektorn 37 synkront detekterar den genom nämnda signal modulerade svars- signalen från SQUID:en. I fortsättningen kallas växelströmmen från växelströmskällan 39 för synkron detektering den detekte- rade växelströmmen, och växelströmmen med frekvensen fï från den högfrekventa växelströmskällan 34, vilken ström matas till SQUID:en för alstring av högfrekvenssvaret, kallas den aktíveran- de växelströmmen. ' I allmänhet har växelströmmen från växelströmskällan för detektering en frekvens ej överstigande 1 MHz, och växelströmmen från växelströmskällan 34 för aktiveringen understigande 1 MHz. Vid en sådan konventionell elektrisk krets förstärker växelströmsförstärkaren 35 direkt växelströms- Nar den kritiska spän- en frekvens ej insignalen, vars frekvens likaså är fï. ningen Vc är lägre än denna växelströmsinsignal, blir därför växelströmsförstärkaren 35 mättad, varför detekteríngen av Vc går förlorad.

Eftersom växelströmsförstärkaren 35 vanligen arbetar med hög förstärkning, kommer blott en mycket låg inspänning ej att mätta den. Av detta skäl har SQUID 32 erfordrats för upp- fyllande av sambandet LIc~«øo för att göra kretsen funktions- duglig. Om induktansen L ökas för höjning av flödeskänsligheten, blir den kritiska strömmen Ic mycket liten. Följaktligen kräver ' den konventionella strömmen ett svagkopplíngselement med täm- ligen litet värde på Ic (av storleksordningen PA). Det har där- för varit viktigt att med hög reproducerbarhet framställa sådana element, som uppfyller villkoret Llcfvøo och blott föga ändras med tiden. 4 I Konventionellt har det varit mycket svårt att reglera 7900844” 7 ZS 40 I framställningen av element med mycket smä kritiska strömmar Ic. Därför har framställningen av dessa i hög grad varit be- roende av den tekniska kunnigheten hos tillverkarna. Dessutom har det konventionella systemet betydande brister. Även om element med lämpligt värde på lc tillverkas, ökar Ic alltefter- som temperaturen faller, såsom i allmänhet är regel i supraledun- de sammanhang. Därför kommer en SQUID-magnetflödesmätare, som använder ett sådant element och arbetar tillfredsställande vid höga temperaturer ibland att bli funktionsoduglig vid låga temperaturer, där Lic>>øo. Till följd av denna begränsning måste SQUID:en hållas vid konstant temperatur. När mätningen sträcker sig över ett stort temperaturområde, erfordras en komplicerad kryostat för att hålla SQUIÉ:en vid den konstanta temperaturen. p .Uppfinningen är avsedd att lösa ovannämnda problem genom ersättning av det konventionella enkelfrekventa aktiverings- växelströmssystemet, vilket detekterar svarsutsignalen från ' SQUID:en genom påläggning av växelström med en given frekvens f1 från aktiveringsväxelströmskällan, såsom visas i fig 3, med .följandez (1) ett system för detektering av svarsutsignalen från SQUID:en med hög känslighet genom matning av denna med en aktiveringsväxelström, som har ett flertal frekvenskomponenter, f från en aktiveringsströmkälla; och (2) ett system för att med hög känslighet detektera sådan växelström, som har högre eller lägre övertonskomponent i aktiveringsväxelströmmen, vilken alstras genom utnyttjande av SQUID:ens elektromagnetiska icke- -linearitet. .

Syftet med uppfinningen är att åstadkomma en med supra- ledande kvantuminterferens arbetande magnetflödesmätare, som är fullständigt fri från problemen vid framställningen av SQUID:en och kan drivas vid varje önskad temperatur, vilket sker genom reglering och styrning av amplituden och frekvensen hos den till SQUID:en matade växelströmmen och fasskillnaden mellan de flerfaldiga aktiveringsväxelströmmarna i det flerfrekventa aktiveringsväxelströmsmatningssystemet samt utnyttjande av I egenskapen med SQUID:ens elektromagnetiska icke-linearitet på sådant sätt, att svarsväxelströmsutsignalen från SQUID:en kan omvandlas till en växelström med en frekvens, som är lika med den högre eller lägre övertonskomponenten i frekvensen hos ingångsväxelströmmen.

L.-"l 40 7900844-7 För astadkommande av detta har magnetflödcsmätaren enligt uppfinningen givits de i patentkravet 1 angivna kännetecknen.

Magnetflödesmätaren enligt uppfinningen kännetecknas även av en anordning för matning av elektrisk växelström till en SQUIU genom elektromagnetisk koppling, en förstärkare för förstärkning av växelström med en övertons- eller undertons- frekvenskomponent i utsignalen från SQUID:en, och en anordning för detektering av till SQUID:en matat magnetflöde genom mottag- ning av den av förstärkaren förstärkta växelströmmen. 7 Flödesmätaren enligt uppfinningen skall nu närmare be- skrivas i anslutning till den inramade delen av kretsen i fíg 3; som innehåller växelströmskällan 34 för aktivering, avstämnings- förstärkaren 35, SQUID:en 32 samt resonanskretsen 31. Den utan- för ramen liggande delen av kopplingsschemat har ej speciellt avseende på uppfinningen och skall därför ej närmare beröras.

Pig 4-I visar uppbyggnaden av en flerfrekvent växelström matande supraledande kvantuminterferens-magnetflödesmätare enligt uppfinningen. Figuren visar det enklaste fallet, där den aktive- rande växelströmmen med två frekvenser f] och fz matas från aktiveringsväxelströmskällorna 42 och 43 till en elektrisk krets 44, som innehåller resonanskretsen och SQUID:en.

Växelströmskällorna 42 och 43 alstrar två växelströmmar med frekvenskomponenterna f1 och fz, vilkas fassamband bestäms av en faskontroller 41. En genom kombinering av de båda strömmar- na bildad växelström matas som aktiverande växelström till den SQUID:en innehållande elektriska kretsen 44.

Utsignalen från SQUID:en i den elektriska kretsen 44 för- - stärks av en avstämníngsförstärkare 45 med en frekvens f1. I_ fíg 4-II matas en lämplig växelström med flera frekvenskomponen- ter, vilken ström ej bildas genom aktiveringsväxelströmskällorna 42 och 43 samt faskontrollerna 41 i fíg 4-I utan genom en signalvågformare 47, till den elektriska kretsen 44 med SQUID:en genom elektromagnetisk koppling.

I fíg 4-III bildar i stället för aktiveringsväxelströms- källorna 42 och 43 samt faskontrollern 41 i fíg 4-I ett flertal växelströmskällor 48, 49, ... 410 flera växelströmmar med flera frekvenskomponenter, vilkas fassamband bestäms av en faskontrol- ler 411. Dessa växelströmmar matas som aktíverande växelström till den SQUID:en innehållande elektriska kretsen 44 genom elektromagnetisk koppling. 7900844-7 40 l fig 4-1, -Il, -II matas den aktiverande växelströmmen till den SQUID:en innehållande elektriska kretsen 44 antingen direkt eller genom elektromagnetisk koppling med resistans, induktans, kapacitans eller ömsesidig induktans. Den från den elektriska kretsen 44 utgående svarsväxelströmmen förstärks av avstämníngsförstärkaren 45 med frekvensen f1. Avstämnings- frekvensen för denna avstämningsförstärkare 45 kan vara fz, f3 eller fn. Den oinramade delen av den elektriska kretsen i fig 3 detekterar den förstärkta utsignalen från avstämningsförstärkaren 45, varigenom även det till SQUID:en matade yttre magnetflödet detekteras. I anslutning till fíg 5 skall det principiella verk- ningssättet för SQUID:en, matad med den aktiverande växelströmmen med frekvenserna fï och fz, nu beskrivas.

I likhet med fig 2-I uppvisar fig 5-I det samband mellan det till SQUID:en matade magnetflödet øx och SQUID:ens inre magnet- flöde ø, där LIc/ø=n=4,S. Vid utföringsformen av denna uppfin- ining kan n i allmänhet vara större än eller lika med 1 (nål).

Pig 5-II visar hur en sådan SQUID matas med ett magnetflöde,f som har en vågform, vilken erhålls genom kombinering av två växelströmmar med respektive frekvenser f1 och fz. I detta fall är fz större än fq, men deras samband_kan även vara omvänt. Emel- lertid är att föredra att den ena frekvensen är en heltals- multipel eller en heltalsbråkdel av den andra. Växelströmmen i denna figur har sínusvågform, men vågformen kan även vara tríangulär, kvadratisk, rektangulär, tandformad etc, innehållande högfrekvenskomponenterna f1 och fz. Frekvenserna fï och fz be- höver ej heller ha likartade vågformer. ' Såsom visas i fig 5-II matas de aktiverande växelström- marna med frekvenserna fï och fz till den slutna kretsen för SQUID:en. Om de resulterande magnetflödena ø1 och øz är sådana, att ø1+ø2<øC, blir SQUID:ens inre magnetflöde alltid lika med noll (ó=0), och den SQUID:en innehållande elektriska kretsen 44 alstrar ej någon svarsutspänníng Vo, som anger överföring av magnetflöde in i och ut från SQUID:en. Om då ett likströmsmagnet- flöde ønc av lämplig storlek påläggs utifrån, såsom visas i fig 5-III (där likströmsmagnetflödet från utsidan är halva øo), erhålls sambandet øDC+ø1+ø2>dc under en positiv halvperiod av envelopen för magnetflödet under kombinering av växelströmmarna med frekvenserna f1 och fz, och SQUID:ens inre magnetflöde ø ändras från noll till do, såsom anges av pilen (A) i fig 5-I. 40 7900844-7 Under nästa negativa halvperlod övergår det inre magnetflödet ø från øo varje övergång förbrukar SQUlD:en energi, som tillförs av till noll, såsom anges av pilen (B) í fig 5-I. Vid växelströmmen med frekvenserna Y1 och fz, samt alstrar en positiv/negativ pulseringsspännjng, som har grundfrekvensen f1, med tidsíntervaller T, såsom visas í fig 5-III.

Därför detekteras förekomsten av det till SQUlD:en utifrån matade likströmsmagnetflödet genom förstärkning och detektering av blott en sådan signal, vars frekvens är fï, medelst avstäm- ningsförstärkaren 45 i fig 4 med utgång från den pulserande spänningen med grundfrekvensen fï. På grund av SQUID:ens periodiska gensvar för det pålagda magnetflödet ger ökning av likströmsmagnetflödet tills ønc blir lika med do (øDC=ø0) ett med øDC=0 likartat tillstånd, varefter SQUID:en fortsätter att återigen alstra den pulserande spänningen. Följaktligen kommer utspänningen V0 från den SQUID:en innehållande elektriska kretsen 44 att periodiskt ändras med det yttre magnetflödet med intervaller av øo.

Såsom framgår av fig 5-I är det magnetflöde øz, som er- hålls från aktiveringsväxelströmmen med frekvensen fz, inställt något lägre än 4,5 øo. Då kommer, såsom framgår av fig S-III, den elektriska kretsen 44 i fíg 4-I att alstra en utspänning V0, som har en grundfrekvens f1, vid påläggningen av ett lik- strömsmagnetfält, enbart genom kombinering av ett mycket litet magnetflöde øï, som alstras av en aktiveringsväxelström med frekvensen fï, med ett aktiveringsmagnetflöde med frekvensen fz.

I detta fall blir amplituden på den från aktiverings- växelströmskällan 42 tillförda växelströmmen med frekvensen f1 liten. Genom användande av denna pålagda växelström med frekvensen f1 kan därför avstämningsförstärkaren 45 med hög känslighet och utan att bli mättad förstärka växelströmmen med frekvensen fï, vilken avges från den elektriska kretsen 44 som svar på det SQUID:en pålagda magnetflödet. Även om Llc>>øO kan den efter de ovan beskrivna arbets- principerna konstruerade uppfinningen driva SQUID:en under alst- ring av magnetflödet øz genom tillförsel av strömmen Iz, vilken índuceras i den supraledande cylindern genom växelström- men med frekvensen fz, nära den kritiska strömmen Ic i svagkopp- ~lingse1ementet, och alstríng av magnetflödet ø1, vilket skall kombineras med magnetflödet øz, genom tillförsel av den mycket -10 . 20 40 7900844-7 u- n svaga växclströmmon 1] med frekvensen ll. Ej nvstümd lill av- stämningsförstärkarcn 45 på utgângssídan kommer den stora växel- strömssignalen, härrörande från växelströmmcn Iz med frekvensen fz och liggande nära den kritiska strömmen IC; svårligen att detekteras vid utgángsänden av avstämningsförstärkaren 45.

Denna förstärkare förstärker och detekterar blott sådana utsig- naler, som alstras som svar på grundfrekvensen för den lilla strömmen I1.

Till skillnad från de konventionella systemen behöver där- för systemet enligt uppfinningen ej uppfylla villkoret att Licaøo. sovimens värde på Lrc är obegränsat.

Detta faktum visar att systemet enligt uppfinningen har extremt goda egenskaper inklusive eliminering av problemen vid framställningen av SQUID:en. Vidare möjliggör det utväljning av arbetstemperatur alltefter önskan; så länge som SQUID-materialet förblir supraledande, genom val av en sådan växelström med frekvensen fz, vars amplitud och fas är lämpliga med avseende på växelströmmen med frekvensen f1. Dessutom kan systemet kom- pensera för tidsändring i Ic genom reglering av amplituden på växelströmmen med frekvensen fz. _ Om den elektriska kretsen 44 i fig 4-I innehåller en resonanskrets, kan den avstämmas till endera eller båda av frekvenserna fï och fz. När aktiveringsväxelströmskällorna 48, 49,- ..., 410 i fig 4-III används, kan resonanskretsen i den elektris- ka kretsen 44 avstämmas till en eller flera av frekvenserna f1,f2,...,fn. r Närmast skall fasskillnaden T mellan växelströmmarna med frekvenserna fï och fz, vilka strömmar kombineras vid systemet enligt uppfinningen, beskrivas.

-Pig 6 visar hur vågformen på den sammansatta strömmen, er- hållen genom kombinering av växelströmmarna med frekvenserna f1 och fz (f2=2f1) och markerad med tjock heldragen linje, ändrar sig med fasskillnaden mellan strömmarna. I figuren är den i SQUID;en inducerade strömmen avsatt utmed Y-axeln och tiden T utmed X-axeln. Det antas att maximiströmmen, som erhålls genom kombinering av de strömmar, som induceras genom aktiverings- växelströmmarna med frekvenserna fï och fz, är större än SQUID:ens kritiska ström Ic. När fasskíllnaden W är noll 6?=0), såsom visas i fig 6-I, överstiger den av nämnda växelströmmar inducerade strömmen värdet Ic. Då ínsläpper och avger SQUID:en 40 7900844-7 magnetflöde för att verka som magnetflödesdetekterande element.

Om fasskillnaden mellan de båda växelströmmarna är den i fig 6-Il visade (+=ï/Z), kan - ehuru deras amplituder är desamma som i fig o-I - blott den negativa sidan av den sammansatta strömmen, svarande mot halva perioden av fï, överstiga Ic. Då arbetar SQUID:en ej som något magnetflödesdetekterande element.

Detta fall inträffar ej blott när man kombinerar tvâ växelströmmar med frekvenserna f1 och fz utan även när man kombinerar fler växelströmmar med olika frekvenser, såsom visas i fig 4-III. Högkänslig magnetflödesdetektering uppnås genom styrning av fasskillnaden mellan dessa växelströmmar med olika frekvenser tillsammans med amplituderna på de aktiverande växel- strömmarna.

Vågformaren 47 i fig 4-II alstrar en aktiveringsväxelström, som innehåller flera frekvenskomponenter med inbördes fixerad fasskillnad. Följaktligen detekterar flödesmätaren enligt uppfin- ningen magnetflödet med den största känsligheten, när fasskill- naden mellan de flera frekvenser uppvisande aktiveringsväxel- strömmarna är bestämd på lämpligt sätt. I det fall enklare arrange- mang föredras, kan flödesmätaren emellertid arbeta utan fas- skillnadsstyrning, ehuru den varierande fasskillnaden kan ge upphov till brus, och detekteringskänsligheten kan minskas i jäm- förelse med den med fixerad fasskillnad arbetande flödesmätaren: Vågformaren 47 i fig 4-II kan framställa växelströmmar av vilken önskad form som helst, inklusive den i fig 6 visade sammansatta vågsignalen. Samma verkan som i fig 6-I kan åstadkommas genom användande av en aktiveringsväxelström med en pulsvåg, vars amplitud överstiger Ic, såsom visas i fig 7. Detta är exakt det- samma som användande av en aktiveringsväxelström med en grund- frekvens f1 och ett flertal övertoner, vilkas frekvenser är hel- talsmultiplar av f1, vilket kan ske genom användande av flera aktiveringsväxelströmskällor 48, 49, ..., 410 enligt fig 4~III.

Avstämningsförstärkaren 45 i fig 4-I kan vara sådan, att en komponent av över- eller undertoner i den enligt fig 4-II och 4-III framställda aktiveringsväxelströmmen selektivt avstäms och förstärks.

Fig 8 visar ett utförande, där en växelströmskälla 81 för aktivering, som har en frekvens f1, och en med denna synkronise- rad växelströmskälla 82 för aktivering, som har en frekvens fz, är tillagda den i fig 3 visade konventionella kretsen. Figuren visar att en resonanskrets 85 och en avstämningsförstärkare 86 ' 40 7900844- 7 IO båda arbetar vid frekvensen EI. I fig 8 avger aktiveringsväxel- strömskällorna 81 och 82 växelströmssígnaler med frekvenserna E] och fz, vilkas inbördes fasförhållande är lämpligt fastställt genom en faskontroller 83. Dessa signaler matas genom resonans- kretsen 85 till SQUID:en 84. En växelströmsutsignal uttas från resonanskretsen 85, förstärks av avstämningsförstärkaren 86, som har frekvensen f1, samt detekteras av en faslåst detektor 812. En del av likutspänningen V814 återkopplas negativt genom en âterkopplingskrets 813. Den faslåsta detektorn 812 matar en detekterande växelströmssignal från en detekteringsväxelströms- källa 811 till SQUID:en 84 och detekterar synkront en genom nämnda signal modulerad svarssignal från SQUID:en 84. Till följd av den extra aktiveringsväxelströmmen med frekvensen fz utför SQUID:en samma funktion som den i fig 5 visade, även om LIc>>ø0.

Detta innebär att det konventionella villkoret LI~ø0 lämnas därhän.

Nästa utföringsform är ett konkret exempel på den i fig 4fI åskådliggjorda principen, där svarsutsignalen från SQUID;en avskiljs från den pålagda växelströmmen. Elektromagnetískt separata ledningar är dragna till SQUID:en för att separat mata aktiveringsväxelströmmen till denna ooh utta utgångsström från SQUID:en. _ _- Fig 9 visar ett kopplingsschema, där till SQUID:en 95 matade aktiveringsväxelströmmar med frekvenserna f1 oeh fz separeras från svarsutsignalen från SQUID:en. Fig 9-I visar ett utförande, där aktiveringsväxelströmmen och en SQUID 95 0 elektriskt är förbundna genom en ömsesidig induktans 94. Denna krets kan kompletteras med en kapacitans till-bildande av en resonanskrets. Fig 9-II visar en direktkopplad utföringsform, men denna koppling kan likaväl utföras genom en resistans, in- duktans, kapacitans eller resonanskrets. Aktiveringsväxelströms- källor 92 och 93 alstrar växelströmmar med frekvenserna f1 och _ fz, vilkas fasförhållande fastställs genom en faskontroller 91.

En aktiveringssignal, vars amplitud är lika med summan av iamplituderna på växelströmmarna, matas till SQUID:en 95, som innehåller ett svagkopplingselement 97, genom den ömsesidiga induktansen 94 i fig 9-I samt direkt till SQUID:en 910, som innehåller ett svagkopplingselement 99 i fig 9-II. Svarsutsig- nalen från SQUID:en 95 eller 910 uttas genom en resonanskrets 96 eller 911 med en resonansfreksens f1, förstärks i en avstäm- 40 7900844-7 ll nlngsförstärkare 98, vilken är avstämd till frekvensen I1, samt avges til] den i fig 3 visade elektriska kretsen. Den slutna kretsen för SQUID:en 95 eller 910 kan betraktas som ekvivalent med en kortsluten índuktanskrets, utom när svagkopplingselementen 97 och 99 insläpper och avger magnetiskt flödeskvantum. Därför kommer ej blott aktiveríngsväxelströmmen med frekvensen fz utan även en ström med frekvensen f1 näppeligen att uppträda i resonanskretsen 96 eller 911. Följaktligen kommer i motsats till fallet enligt fig 3 den till frekvensen f1 avstämda avstämnings- förstärkaren 98 knappast att mättas med den ínmatade aktiverings- växelströmmen. Det är även möjligt att tillföra blott växel- strömmen med frekvensen f] och mata växelströmmen med frekvensen EZ till SQUID:en 95 eller 910 genom en resonanskrets 96 eller 911, såsom fallet är i fig 8. Direktkopplíngskretsen enligt fig 9-II tillåter användandet av en högre frekvens som fl än vid utföringsformen enligt fig 9-I. Vid utföringsformerna i fig 8 och 9 används två aktiveringsväxelströmmar med frekvenserna f1 och fz. Emellertid är det även möjligt att till SQUID:en mata fler aktiveringsväxelströmmar, som innehåller ett större antal frekvenskomponenter, genom användande av sådana växel- strömskällor för aktivering som visas i fig 4-I och 4-II. Då kan resonanskretsen 85 i fíg 8, resonanskretsen 96 i fig 9-I samt resonanskretsen 911 i fig 9-II konstrueras på sådant sätt, att de svarar på en växelström, som har en lämplig frekvens- komponent av över- eller undertoner av de pålagda aktiverings- strömmarna.

Närmast skall utnyttjandet av den elektromagnetiska icke- -lineariteten hos SQUID:en enligt uppfinningen närmare beskrivas.

Såsom framgår av fig 5~III avger SQUID:en pulsspänning som följd av infångandet och avgivandet av magnetflödeskvanta, när ström- men genom den överstiger Ic. Denna pulsspänning innehåller över- och undertoner av den pâlagda växelströmmen. Därför kan det på- lagda magnetflödet detekteras effektivt genom utnyttjande av denna icke-línearitet. Närmare bestämt åstadkommas denna detek- tering genom påläggning av en lämplig växelström för drift av SQUID:en och förstärkning av en växelström, som har en av de frekvenskomponenter, som ingår i över- eller undertonerna av den tillförda växelströmmen, avgiven från denna.

Fig 10-I visar uppbyggnaden hos en enligt uppfinningen utförd SQUIU-flödesmätare med utnyttjande av SQUID:ens elektro- SS 40 7900844-7 Il magnetiska icke-linearitet. Aktiveringsväxelströmskällor 101 39 "': En: och gmmmn av dessa växelströmsamplítuder matas till en elektrisk avger växelström med en eller fler frekvenser fz, f krets 102, som innehåller en SQUID, genom en lämplig elektro- magnetisk koppling. Från växelströmsutsignalen uttas genom en lämplig elektromagnetisk koppling en frekvens fï, som är en komponent av över- eller undertonerna av växelströmsinsignalens frekvenser fz, f f . Genom förstärkning av frekvensen f1 , ..., medelst en till :T avstämg avstämningsförstärkare 102 detekte- ras det till SQUID:en 102 matade magnetflödet. Förutom detekte- ríngskretsen används i systemet även samma komponentdelar som i fig 3. När växelströmsinsígnalens frekvenser fz, få ... fn skiljer sig från växelströmsutsignalens frekvens fï, kommer växelströmsinsignalen ej att mätta avstämningsförstärkaren 103.

Därför - och till följd av SQUID:ens egenskaper - kan varje värde, som ej är mindre än 1, väljas som LIc/øo.

Fig 10-11 visar en utföríngsform, där en växelström med en enda frekvens används för aktiveringen, varvid aktiveringsväxel- strömskällans 101 frekvens är dubbla frekvensen fï hos avstäm- ~ ningsförstärkaren 103. Denna växelström matas till en SQUID 104 genom en resonanskrets.105 med en frekvens f1. Blott en signal, vars frekvens är f1, utväljs från utsignalen från SQUID:en, av-. ges genom resonanskretsen 105 till avstämningsförstärkaren 103 för förstärkning samt detekteras av en faslåst detektor 107. En del av likutspänningen V1o8 återkopplas kopplingskrets 109 till SQUID:en 104.

Den faslåsta detektorn 107 detekterar synkront svarsut- negativt genom en åter- sigmalen från SQUID:en 104, vilken signal har modulerats genom en detekteringsväxelström, som från en detekteringsväxelströms- källa 106 matas till SQUID:en 104. Eftersom den aktiverande växelströmsinsignalen ej innehåller frekvensen f1, kommer växel- spänningsinsignalen ej att mätta avstämningsförstärkaren 103. Där- för kan SQUID:ens LIc/do anta vilket som helst värde, som ej är lägre än 1. Växelströmsfrekvensen från aktiveringsväxelströms- källan 101 kan vara en heltalsmultipel eller en heltalsbråkdel av frekvensen f1 eller också en sammansatt frekvens av denna.

Denna aktiveringsväxelström behöver ej innehålla frekvensen f1.

Vid utföringsformen enligt fig 10-I alstras den aktiverande växelströmsínsignalen av ett flertal aktiveringsväxelströms- källor 101. Emellertid kan lämpliga signalvågformer, såsom visas 'zs 40 7900844-7 11 i fig 0 och 7, bildas genom användande av den i anslutning till fig 4-II beskrivna vägformaren 47. Den aktiverunde växelströms- insignalen kan matas till SQUID:en genom en i anslutning till Fig 8 och 9 beskriven elektromagnetisk koppling. Fig 11 och 12 visar exempel på arbetsresultaten för flödesmätaren enligt upp- finningen med användande av tvâ frekvenser. Härvid matas frekvenser pá 20 MHz och 40 HMz såsom fï resp EZ till den i fig 8 visade kretsen, varvid àterkopplingskretsen 813 hålls verknings- lös. I fig 11 ökas en aktiverande växelström Irfï med en frekvens f1, medan en aktiverande växelström Irfz med en frekvens fz hålls konstant. En differentialkvot dVrf1/døx erhålls genom differentie- ring av en svarsutspânning Vrfï med frekvensen f1 med avseende på ett yttre magnetflödet øx. Denna kvot dVrf1/døx representerar magnetflödeskänsligheten hos SQUID-flödesmätaren, vilken i detta fall är utspänningen V814 från den faslåsta detektorn 812.

Såsom visas í fig 11-(A) kommer SQUID-flödesmätaren ej att detek- tera utspänningen, om aktiveringsväxelströmmen Irfz med frekvensen fz reduceras till noll. I fig 11-(B) och (C) detekteras utspän- ningen, eftersom Irfz är större än ett givet värde. " I fig 12-I åstadkommes magnetflödeskänsligheten dVrf1/døx genom ökning av aktiveringsväxelströmmen Irfz, medan aktiverings- växelströmmen lrfï hålls konstant.

I fig 12-II âstadkommes magnetflödeskänsligheten dVrf1/døx gentemot det yttre magnetflödet øx genom bestämning av förhållandet mellan aktiveringsväxelströmmarna Irf1 och Irfz såsom Irf1< (a), (b), (c) och (d) i fig 12-I, erhålls de i fig 12-II visade gensvaren (al, (b), (c) och (d). Magnetflödet øx vid (b) och (c) i fig 12-II varierar períodiskt i intervaller på ett magnetflödes- kvantum øo. Om värdet Irf1 är fixerat, reagerar SQUID:en ej för- rän Irfz överstiger ett givet kritiskt värde Icz. Med ytter- ligare ökning i Irfz ändras magnetflödeskänsligheten periodiskt, såsom vid de konventionella flödesmätarna. Ehuru det är fråga om element, vars LIc>>øO ej fungerar vid de konventionella SQUlD~flödesmätarna, har dessa provresultat påvisat, att ett sådant element kan verka, om man härtill använder aktiverings- växelström med flera frekvenser enligt uppfinningen.

Fig 13 och 14 visar exempel på provresultaten vid utnytt- jandet av SQUID:ens elektromagnetisk icke-linearitet i enlighet med uppfinningen. Vid den i fig 10-II visade kretsen används 7900844-7 11 MH: som fl och 40 MH: (dubbelt så hög som f1) som frekvens för den till SQUlD:en matade aktiveringsväxelströmmen. En svars- utsignal med en frekvens på 20 MHz förstärks och detekteras.

Den detekterade växelspänningen med en frekvens 20 MH: är en undertonskomponent till den från SQUID:en avgivna aktiverings- växelströmmen på 40 MHz.Om frekvensen på den aktiverande växel- strömmen sänks till 20 MHz, kommer ej någon svarsutsignal från SQUID:en att detekteras i utsignalen från den faslåsta detektorn 107. » 5 Fig 13 visar utspänningen Vrfï med en frekvens på 20 MHz I detekterad i utsignalen från avstämningsförstärkaren 103, och magnetflödeskänsligheten dVrf1/døx detekterad i utsignalen från den faslåsta detektorn 107, när aktiveringsväxelströmmen Irfz med frekven 40 MHz ökas.

Fig 14 visar den utspänning, som erhålls genom ändring av det yttre magnetflödet øx, medan aktiveríngsväxelströmmen Irfz med en frekvens fz fixeras vid punkten Ca) i fig 13. Fig 14-I visar en utspänning V108, som erhålls när återkopplingskretsen 109 i fig 10-II är-i funktion. Fig 14-II visar den utspänning vid mag- netflödeskänsligheten där dVrf1/døx, som erhålls när återkopp- lingskretsen 109 ej är i funktion. Både fig 14-I och 14-II visar att SQUID-flödesmätaren får en ütspänning på 22 mV per flödes- kvantum do. l Såsom framgår av ovanstående erbjuder uppfinningen många fördelar, såsom markant reducering av svårigheterna vid tillverk- ningen och användandet av supraledande kvantumínterferensenheter, val av varje önskat arbetstemperaturområde samt kompensering av med tiden uppträdande kvalítetsändringar.

Claims (2)

7900844- 7 15 ieïeiïrex

1. Med supraledande kvantuminterferens arbetande magnet- flödesmätare av flerfrekvenstyp, k ä n n e t e c k nga d av en anordning (42,43) för matning av aktiverande växelström, som har flera frekvenskomponenter, till ett supraledande kvantum- interferenselement via en elektromagnetisk koppling; en för- stärkare (45) för förstärkning av växelström med en enda fre- kvenskomponent i utsignalen från elementet; samt en anordning (36,38¿39) för detektering av elementet pàlagt magnetflöde genom mottagning av den av förstärkaren förstärkta växelström- men.

2. Med_supraledande kvantuminterferens arbetande magnet- flödesmätare av flerfrekvenstyp,k ä n n e t e c k n a d av en anordning (101) för matning av växelström till ett supraledande kvantuminterferenselement via en elektromagnetisk koppling; en förstärkare (103) för förstärkning av växelström med en enda frekvenskomponent av över- eller undertonerna i ntsignalen från elementet; samt en anordning (36;38§39) för detektering av ele-' mentet pälagt magnetflöde genom mottagning av den av förstärkar-a en förstärkta växelströmmen.