DE102006006487A1

DE102006006487A1 - Anordnung zur Messung magnetischer Signale

Info

Publication number: DE102006006487A1
Application number: DE200610006487
Authority: DE
Inventors: Logqing Qiu; Yi Prof. Dr. Zhang; Hans-Joachim Dr. Krause
Original assignee: Forschungszentrum Juelich GmbH
Current assignee: Forschungszentrum Juelich GmbH
Priority date: 2006-02-10
Filing date: 2006-02-10
Publication date: 2007-08-23
Also published as: EP1818678B1; EP1818678A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Messung magnetischer Signale mittels eines Magnetometers, umfassend einen Sensor zur Messung der Signale. Die Anordnung ist dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor des Magnetometers von der Spule mindestens eines Schwingkreises umschlossen wird. Auf diese Weise wird eine Erhöhung des Signal-Rausch-Verhältnisses erzielt im Vergleich zu einer Anordnung ohne den Schwingkreis.

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Messung magnetischer Signale.
Aus DE 101 05 796 A1 ist eine Anordnung zum Messen magnetischer Felder, umfassend einen Washer-SQUID oder einem SQUID mit einem single layer flux Transformator sowie einem Ausleseloop bekannt, bei dem zwischen SQUID und Ausleseloop ein Substrat angeordnet ist.
Ein rf-Schwingkreis für den Betrieb eines rf-SQUIDs ist aus Zhang et al. bekannt (Zhang Y. et al., Appl. Phys. Lett. 71 (5), 704–706 und Zhang Y. et al., Applied Superconductivity Vol 6 (7–9), 1998, 385–390).
Nachteilig ist die Empfindlichkeit dieser Anordnungen frequenzunabhängig und nicht selektiv erhöht.
Bei manchen Anwendungen in der hochempfindlichen Magnetfeld-Messtechnik, z.B. mittels SQUID, benötigt man einen sehr schmalen Frequenzbereich. Beispiele sind NMR (nuclear magnetic resonance) im niedrigen magnetischen Feld, die Wirbelstromtechnik oder modulierte Messverfahren. Bei diesen Verfahren kommt es darauf an, in einem sehr kleinen Frequenzbereich um die Grundfrequenz (z.B. die Anregungs- oder Modulationsfrequenz) eine möglichst hohe Magnetfeldempfindlichkeit zu erreichen.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Anordnung zur Messung magnetischer Wechselfeldsignale bereit zu stellen, mit welcher in einem engen Frequenzbereich ein Anstieg der Empfindlichkeit durch Erhöhung des Signal-Rausch-Verhältnisses (S/N) gegenüber den aus dem Stand der Technik bekannten Magnetometern erzielt wird.
Die Aufgabe wird durch eine Anordnung gemäß Hauptanspruch gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den darauf rückbezogenen Patentansprüchen.
Eine Verbesserung der magnetischen Feldempfindlichkeit des Magnetometers wird durch einen LC-Schwingkreis erzielt, der eine Spule mit einer Induktivität L und einen Kondensator der Kapazität C umfasst und der mit seiner Spule den Sensor umschließt.
Dadurch wird vorteilhaft bewirkt, dass das Signal-Rausch-Verhältnis (S/N), im Vergleich zu einer Anordnung ohne einen derartigen Schwingkreis, erheblich verstärkt wird, insbesondere um einen Faktor von mindestens zwei, vorzugsweise um einen Faktor von 10, 15 und mehr.
Der Amplitudengewinn ist dabei größer als der Anstieg des Rauschens im Bereich der Resonanz, so dass netto ein Anstieg des Signal-Rausch-Verhältnisses (S/N) erfolgt.
Die Spule L kann das Magnetometer vorteilhaft direkt umschließen. Der Abstand zwischen dem sensitiven Zentrum des Magnetometers, vorzugsweise eines SQUID, und dem Zentrum der Spule ist kleiner als die charakte ristische Größe der Spule. Die Normale (Flächenstruktur der Spule) schließt einen genügend kleinen Winkel mit der empfindlichen Richtung des Magnetometers (insbesondere einem Hochtemperatursupraleiter SQUID) ein.
Besonders bevorzugt verlaufen beide Richtungen parallel zueinander, so dass der Winkel 0° beträgt. Die feldempfindlichen Richtungen des Magnetometers bzw. SQUIDs und des Spulen-Normals stehen jedenfalls nicht senkrecht zueinander.
Der induktive Teil L, das heißt die gewickelte Spule des Schwingkreises besteht z.B. aus Kupferdraht. Die Spule L und eine Kapazität C bilden einen Schwingkreis mit einer Resonanz-Frequenz
die für das erwartete Messsignal ausgewählt wird.
Tankschwingkreise gemäß Stand der Technik dienen im Gegensatz hierzu ausschließlich für die induktive Auslese des rf-SQUID-Signals.
Mit anderen Worten, diese sind unabdingbar für den Betrieb eines SQUID. Die Tankschwingkreise gemäß Stand der Technik weisen dabei Resonanzfrequenzen von in der Regel > 20 MHz auf, im Falle eines Substratresonator-Schwingkreis gemäß DE 101 05 796 A1 eine von etwa 500 bis 1000 MHz.
Im Gegensatz hierzu, ist der erfindungsgemäße LC-Schwingkreis nicht zwingend notwendig für den SQUID-Betrieb. Die erfindungsgemäße Vorrichtung bewirkt vielmehr besonders vorteilhaft, dass das Signal-Rausch- Verhältnis bei einer ausgewählten Frequenz erhöht wird. Diese Frequenz liegt typischerweise zwischen 5 kHz und 10 MHz. Der erfindungsgemäße LC-Schwingkreis weist darüber hinaus einen positiven Einfluss auf die Messung eines Signals fester Frequenz für alle Magnetometer auf, nicht nur für einen Hochtemperatursupraleiter-SQUID.
Der resultierende Netto-Gewinn beim Signal-Rausch-Verhältnis (S/N) hängt von den resonanten Frequenzen und der Anzahl (n) der Windungen der Spule des LC-Schwingkreises ab.
Im Weiteren wird die Erfindung an Hand von Ausführungsbeispielen und den beigefügten Figuren näher beschrieben.
Es zeigen:
1. Erfindungsgemäße Anordnung aus Schwingkreis und Sensor.
2. Erfindungsgemäße Anordnung aus Schwingkreis mit Spule L und Sensor, umfassend einen SQUID, in einem Dewar mit flüssigem N₂.
3. Abhängigkeit der Feldempfindlichkeit von der Frequenz.
a) Signal-Rausch-Verhältnis (S/N) mit Anordnung gemäß Stand der Technik.
b) Signal-Rausch-Verhältnis (S/N) mit erfindungsgemäßer Anordnung mit resonantem Schwingkreis.
4. Netto-Gewinn für verschiedene Spulen L mit n = 100 bis n = 500 mit verschiedenen Resonanzfrequenzen f₀.
5. Darstellung der Resonanzverbreiterung durch eine Anordnung umfassend zwei resonante Schwingkreise mit unterschiedlichen Resonanzfrequenzen.
a) Aufbau der Anordnung.
b) Abhängigkeit der Feldempfindlichkeit von der Frequenz.
In den Figuren und den zugehörigen Messungen wurde ein Substrat-Resonator wie aus DE 101 05 796 A1 bekannt, als rf-Schwingkreis Sensor für die rf-SQUID Operation verwendet. Die Empfindlichkeit des rf-SQUIDs betrug bei einer „pick-up-Fläche" von 1 cm² etwa 40 fT/√Hz, die innerhalb der Ausgangs-Bandbreite von der Frequenz unabhängig z.B. von DC bis 1 MHz ist.
1 zeigt einen Sensor und einen diesen umschließenden LC-Schwingkreis. Der LC-Schwingkreis bewirkt besonders vorteilhaft die resonante Erhöhung der Feldempfindlichkeit des Magnetometers. Die Spule L umschließt den Sensor. Das heißt, dass der Sensor im Zentrum der Spule angeordnet ist, so dass die Spule L den Sensor direkt umschließt. Der Abstand zwischen dem sensitiven Zentrum des Sensors, vorzugsweise eines SQUID, und dem Zentrum der Spule ist kleiner gewählt als die charakteristische Größe der Spule. Die Normale (Flächenstruktur der Spule) und die empfindliche Richtung des Sensors schließen einen Winkel von 0° ein.
2 zeigt eine erfindungsgemäße Anordnung in einem Dewar in flüssigem Stickstoff (LN₂) zur SQUID-Kühlung derart, dass die Spule des LC-Schwingkreis den SQUID umschließt. Sowohl die Spule L als auch der SQUID sind vorteilhaft im flüssigen N₂ angeordnet.
Der Schwingkreis gemäß 2 umfasst Kondensatoren zur Erzeugung unterschiedlicher Frequenzen (nicht dargestellt). Der Schwingkreis mit Spule L sorgt dafür, dass der SQUID ein magnetisches Wechselfeld einer unterhalb des SQUID angeordneten Probe (nicht dargestellt) der Frequenz f₀ auf zwei verschiedene Arten detektieren kann:

1. Der SQUID-Sensor misst das magnetische Wechselfeld der Probe direkt.
2. Durch ein magnetisches Wechselfeld wird ein Wechselstrom i mit der gleichen Frequenz f₀ wie das der Probe in dem Schwingkreis induziert. Der Strom i lässt sich folgendermaßen ausdrücken:

Dabei bezeichnet Q die Güte des Schwingkreises und ∈ den zu messenden magnetischen Fluss. Dieser Strom i erzeugt durch die Gegeninduktivität M zwischen der Spule L und der Induktivität des SQUIDs L_s einen zusätzlichen magnetischen Fluss ϕ_zu.
Der Schwingkreis bringt auch ein zusätzliches Fluss-Rauschen ϕ_rau. Falls ϕ_zu > ϕ_rau ist, wird das Signal-zu-Rauschen-Verhältnis (SNR) bei der Messung des externen Magnetfeldes verbessert.
In 3a) ist mit der Anordnung nach Stand der Technik ein S/N-Verhältnis von 10,9 ermittelt worden. Das zu messende Signal ist als Peak aus dem Rauschen herausgehoben.
In 3b) ist die Verstärkung der Signalamplitude mit der erfindungsgemäßen Anordnung wieder gegeben. Die zu messende Signalamplitude ist resonant verstärkt. Der Amplitudengewinn ist viel größer als der Anstieg des Rauschens im Bereich der Resonanz (S/N = 114). Netto bleibt ein Anstieg des Signal-Rausch-Verhältnisses (S/N) um etwa einen Faktor von 10 gegenüber der in 3a) gezeigten Ergebnisse. Somit ist mit der erfindungsgemäßen Anordnung eine deutliche Verbesserung des Signal-Rausch-Verhältnisses des SQUID erzielt worden.
Im dargestellten Fall betrug die Kapazität C = 4,7 nF, die Spule wies 200 Windungen bei einem Durchmesser von 4,8 cm auf. Der Drahtdurchmesser betrug 0,12 mm. Es ergab sich eine Resonanzfrequenz des Schwingkreises von 39,4 kHz. Der Faktor in Bezug auf den resultierenden gemessenen Netto-Gewinn beim Signal-Rausch-Verhältnis (S/N) betrug 10,4.
Der resultierende Netto-Gewinn beim Signal-Rausch-Verhältnis(S/N) hängt von den resonanten Frequenzen und der Anzahl (n) der Windungen der Spule des LC Schwingkreises ab.
In 4 ist der gemessene Netto-Gewinn im Signal-Rausch-Verhältnis unter verschiedenen Bedingungen dargestellt. Verwendet wurde eine den SQUID umschließende Spule des Durchmessers 4,8 cm mit 100, 200, 300, 400 oder 500 Windungen. Der Drahtdurchmesser betrug 0,12 mm. Durch unterschiedliche Wahl der Kapazität C des Schwingkreises wurde die Resonanzfrequenz zwischen 1 kHz und 100 kHz variiert. Das Signal-Rausch-Verhältnis wurde mit einem Spektrumanalysator (HP 3562 A) gemessen.
Bei den Messergebnissen zu den 3 bis 5 wurde der SQUID/Sensor mit einem Anregungssignal mit konstanter Amplitude bei der Resonanzfrequenz unter Verwendung einer großen Anregungsspule (drei Windungen, Durchmesser D = 8,5 cm) beaufschlagt. Da die Anregungsspule ein quasi homogenes Feld erzeugt, kalibriert man die Empfindlichkeit des Systems hiermit.
Aufgetragen wurde der Gewinn im Signal-Rausch-Verhältnis mit resonantem Schwingkreis im Vergleich zur Situation ohne Schwingkreis. Man erkennt, dass der erreichbare Gewinn durch den resonanten Schwingkreis mit wachsender Frequenz größer wird.
Durch die Verwendung mehrerer unabhängiger Schwingkreise n mit leicht verschiedenen Resonanzfrequenzen f_i, i ∈ 1...n, ist es möglich, die Resonanz zu verbreitern.
5 zeigt dies schematisch für den Fall zweier Schwingkreise (D-Spulen), die den SQUID umschließen (5a). Die sich ergebende Resonanzverbreiterung im Falle eines Frequenzabstandes, der etwa der Resonanzbreite entspricht
ist in 5b) wiedergegeben. Der Messbereich der Frequenz ist vergrößert.
Die zwei LC-Schwingkreise gemäß 5 sind unabhängig und zum SQUID separat gekoppelt. Die Gegeninduktivität zwischen den beiden Schwingkreisen ist minimiert.
Die erfindungsgemäße Anordnung zur Steigerung der Empfindlichkeit ist sowohl für rf- als auch für dc-SQUIDs geeignet.
Ohne Einschränkung der Erfindung ist die Verwendung einer erfindungsgemäßen Anordnung umfassend einen resonanten Schwingkreises auch auf andere Messanordnungen übertragbar, z.B. auf Hall-Sonden oder GMR-Sensoranordnungen, die auf dem Prinzip des sogenannten Riesenmagnetowiderstandes (giant magneto resistance) beruhen.

Claims

Anordnung zur Messung magnetischer Signale mittels eines Magnetometers, umfassend einen Sensor zur Messung der Signale, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor des Magnetometers von der Spule mindestens eines Schwingkreises umschlossen wird.
Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Schwingkreis induktiv mit dem Sensor koppelt.
Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Resonanzfrequenz des Schwingkreises mit der zu messenden Frequenz übereinstimmt.
Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch Kupfer als Material der Spule des zusätzlichen Schwingkreises.
Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass diese durch ein magnetisches Wechselfeld ein Wechselstrom i mit der gleichen Frequenz f₀ wie das der Probe in dem Schwingkreis zu induzieren vermag.
Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch mehrere den Sensor umschließende Schwingkreise mit verschiedenen Resonanzfrequenzen.
Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Magnetometer einen HTSL-SQUID oder eine Hall-Sonde oder eine GMR-Sensoranordnung umfasst.
Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Spule des Schwingkreises zusammen mit dem Sensor in einem Dewar in gekühltem N₂ angeordnet ist.