DE3616865A1 - Digitales magnetometer - Google Patents

Description

Magnetometer im Bereich der Supraleitung bestehen meistens aus einem Interferometer mit zwei gleich großen Josephson- Kontakten nach Abb. 1 und einer Regelschleife, die den Arbeitspunkt des Interferometers konstant hält /1, 2/. Die beiden Josephson-Kontakte mit dem maximalen Josophson-Strom I ₀ sind durch Widerstände R stark gedämpft, um eine eindeutige Abhängigkeit der Ausgangsspannung von dem Magnetfeld des Signals zu erhalten. Eine Doppeldeutigkeit durch Hysterese der Strom-Spannungskennlinien muß nach diesem bekannten Konzept vermieden werden. Dies ist für einen McCumber Dämpfungsparameter β = 2π R ² CI ₀/ϕ ₀≦ωτ 1 der Fall /1/, wobei C die Kapazität eines Josephson-Kontaktes und ϕ ₀ = 2,07 mVps ein Flußquant ist. Leider rauschen die benötigten kleinen Dämpfungswiderstände stark und führen zu sehr kleinen Ausgangsgrößen, die verstärkt werden müssen.

Das zu messende Magnetfeld H durchsetzt die Feldaufnahmespule L _P und erzeugt einen Signalstrom I _S in der Ankoppelspule L ₂ und dadurch einen magnetischen Fluß in der Interferometerinduktivität L ₁. Ein zeitlich konstanter Gatterstrom wird in den Einspeisungspunkt G des Interferometers eingeprägt, so daß sich an diesem Punkt eine vom Fluß in der Interferometerinduktivität abhängige Spannung einstellt. Eine Regelschleife reagiert auf Spannungsänderungen am Punkt G mit einem Punkt F eingespeisten Gegenkopplungsstrom I _P , der über die Gegenkopplungsspule L _F den durch den Signalstrom verursachten Fluß in der Interferometerinduktivität gerade kompensiert. Der Gegenkopplungsstrom ist somit ein Abbild des Signalstroms.

Im Gegensatz zu dem skizzierten bekannten Konzept arbeitet das digitale Magnetometer im Sinne der Erfindung mit hysteretischen Josephson-Kontakten.

Das Blockschaltbild des digitalen Magnetometers ist in Abb. 2 dargestellt. Es besitzt zur Detektion des magnetischen Signalfeldes 1 einen magnetischen Sensor 2, der nach Abb. 3 aus einer Feldaufnahmespule 7, einer Ankoppelspule 8 und einem Interferometer 12 mit zwei gleich oder ungleich großen Josephson-Kontakten 13 und 15 besteht. Dämpfungswiderstände werden nicht benötigt, wenn sich ein McCumber-Dämpfungsparameter von etwa 100 oder größer einstellt. Die Strom-Spannungskennlinien des Interferometers 12 besitzen daher eine ausgeprägte Hysterese.

Ein Taktgenerator 3 prägt einen impulsförmigen Gatterstrom mit einer hohen Folgefrequenz z. B. 1 GHz in den Einspeisungspunkt 14 der Interferometerinduktivität 11 ein. Der Einspeisungspunkt muß nicht in der Mitte der Interferometerinduktivität liegen.

Mit der vom Magnetfeld des Signalstroms abhängigen Wahrscheinlichkeit schaltet das Interferometer 12 während eines Gatterstromimpulses in den Spannungszustand. Der Spannungszustand wird infolge der Hysterese bis zum Ende des Gatterstromimpulses aufrechterhalten, auch wenn sich während der Dauer des Gatterstromimpulses der Signalstrom geändert haben sollte. Außerdem führen Strom-Spannungskennlinien mit Hysterese zu großen Ausgangssignalen, welche die Digitalisierung erleichtern. Am Einspeisungspunkt 14 des Interferometers entsteht eine Folge von Spannungsimpulsen, deren Häufigkeit von dem zu messenden Magnetfeld abhängt, d. h. es entsteht eine Pulshäufigkeitsmodulation.

Die Impulsfolge steuert den binären Vorwärts-Rückwärtszähler 4 derart, daß dieser um eine Binärstelle vorwärts zählt, wenn das Interferometer während eines Gatterstromimpulses in den Spannungszustand schaltet und um eine Binärstelle rückwärts zählt, wenn das Interferometer nicht in den Spannungszustand schaltet. Der Vorwärts-Rückwärtszähler verändert seinen Zählerstand im zeitlichen Mittel nicht, wenn die Schaltwahrscheinlichkeit des Interferometers genau 50% beträgt, falls also das Eingangssignal konstant ist. Wenn das Eingangssignal größer oder kleiner wird, ändert sich der Zählerstand im zeitlichen Mittel so lange, bis die Schaltwahrscheinlichkeit wieder 50% ist.

Der Zählerstand wird über die Datenleitungen 5 an den D/A- Wandler 6 übertragen und dort in einen dem Zählerstand proportionalen Strom umgewandelt, welcher an Punkt 10 in die Gegenkopplungsspule 9 des Interferometers eingespeist wird. Die Auflösung des D/A-Wandlers soll größer sein als die des Interferometers infolge von Rauschen. In den meisten Fällen genügt eine Auflösung des D/A-Wandlers von 12 Bit.

Bei geschlossener Regelschleife stellt sich stets eine Schaltwahrscheinlichkeit des Interferometers von 50% ein. Der Gegenkopplungsstrom des D/A-Wandlers und damit der Zählerstand des Vorwärts-Rückwärtszählers sind dem Signalstrom und dem zu messenden Magnetfeld proportional. Die Größe des zu messenden Magnetfeldes steht an den Datenleitungen 5 in binärer Form zur Verfügung und kann störsicher angezeigt bzw. digital weiterverarbeitet werden.

Die effektive Auflösung des digitalen Magnetometers kann über die Auflösung des D/A-Wandlers der Regelschleife hinaus vergrößert werden durch die Bildung des zeitlichen Mittelwertes des Ausgangssignals, das in Form digitaler Zahlen vorliegt.

Da es möglich ist, mit Josephson-Kontakten und Interferometern digitale Zähler /3, 4/ und D/A-Wandler aufzubauen, können sämtliche Bestandteile des digitalen Magnetometers auf einem oder mehreren Chips integriert werden und bei tiefen Temperaturen, z. B. in flüssigem Helium bei 4,2 K betrieben werden. Dadurch kann die zulässige Änderungsgeschwindigkeit des Signals und die Störsicherheit des digitalen Magnetometers wesentlich vergrößert werden.

• Literatur /1/,6M. B. Ketchen "dc SQUIDs 1980: The state of the art", IEEE Trans. on Magn., vol. MAG-17, no. 1, pp. 387-394, 1981. /2/,6D. Drung. W. Jutzi "Hysteretic noise simulation of dc SQUIDs with input coil" Tagungsband der IC SQUID 1985 in Berlin (West): Superconducting Quantum Interference Devices and their Applications, Walter de Gruyter & Co., Berlin New York, pp. 807-812, 1985. /3/,6A. H. Silver, R. R. Phillips, R. D. Sandell "High speed nonlatching SQUID binary ripple counter" IEEE Trans. on Magn., vol. MAG-21, no. 2, pp. 204-207, 1985. /4/,6C. A. Hamilton "100 GHz binary counter using SQUID flip flops" IEEE Trans. on Magn., vol. MAG-19, no. 3, pp. 1291-1292, 1983.
• Abb. 1: Elektrisches Ersatzschaltbild eines Interferometers mit zwei gleich großen Josephson-Kontakten.
• Abb. 2: Blockschaltbild des digitalen Magnetometers.
• Abb. 3: Elektrisches Ersatzschaltbild des Interferometers mit An- und Gegenkopplungsspule.

Claims (5)

1. Digitales Magnetometer im Bereich der Supraleitung, das im wesentlichen aus einer Regelschleife mit einem binären Vorwärts-Rückwärtszähler, einem Digital-Analog-Wandler und aus einem Interferometer mit zwei Josephson-Kontakten und einer An- und Gegenkopplungsspule besteht, dadurch gekennzeichnet, daß das Interferometer infolge großer oder fehlender Dämpfungswiderstände eine ausgeprägte Hysterese der Strom-Spannungskennlinie besitzt.

2. Digitales Magnetometer nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß an der Interferometerinduktivität ein impulsförmiger Gatterstrom mit hoher Folgefrequenz eingespeist wird, der während der Dauer des Gatterstromimpulses ein Schalten des Interferometers in den Spannungszustand mit der durch den Signalstrom bestimmten Wahrscheinlichkeit ermöglicht.

3. Digitales Magnetometer nach Anspruch 1 und 2 dadurch gekennzeichnet, daß die Zahl der Ausgangsimpulse des Interferometers pro Zeiteinheit, die durch einen Vorwärts- Rückwärtszähler festgehalten wird, den Strom in der Gegenkopplungsspule und die Größe des zu messenden Signals bestimmt.

4. Digitales Magnetometer nach den Ansprüchen 1 bis 3 dadurch gekennzeichnet, daß ein binärer Ausgang des Vorwärts- Rückwärtszählers einem D/A-Wandler zur Erzeugung des Stromes in der Gegenkopplungsspule und einem digitalen Interface zur störsicheren Anzeige der Messgröße bzw. zur digitalen Weiterverarbeitung zugeführt wird.

5. Digitales Magnetometer nach Ansprüchen 1 bis 4 dadurch gekennzeichnet, daß seine Bestandteile auf einem oder mehreren Chips integriert und im Bereich der Supraleitung betrieben werden können.