DE29715860U1

DE29715860U1 - Arrangement for coupling an rf squid to a superconducting tank circuit

Info

Publication number: DE29715860U1
Application number: DE29715860U
Authority: DE
Original assignee: Forschungszentrum Juelich GmbH
Current assignee: Forschungszentrum Juelich GmbH
Priority date: 1996-11-28
Filing date: 1997-09-04
Publication date: 1998-02-12
Anticipated expiration: 2007-09-05

Description

Anordnung zur Ankopplung eines rf-SQUID an einen supraleitenden TankschwingkreisArrangement for coupling an rf-SQUID to a superconducting tank circuit

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Anordnung zur Ankopplung eines rf-SQUID an einen supraleitenden Tankschwingkreis und an eine Grundplatte, in welcher der Tankschwingkreis und das rf-SQUID eine koplanare Struktur bilden und der Tankschwingkreis einen Schlitz aufweist.
10The present invention relates to an arrangement for coupling an rf-SQUID to a superconducting tank circuit and to a base plate, in which the tank circuit and the rf-SQUID form a coplanar structure and the tank circuit has a slot.
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Verschiedene Vorschläge sind bisher verfolgt worden, rf-SQUID-Magnetometer an supraleitende Tankschwingkreise anzukoppeln .Various proposals have been pursued to date to couple rf-SQUID magnetometers to superconducting tank circuits.

Eine Möglichkeit besteht darin, einen &lgr;- Resonator zu verwenden, an den ein rf-SQUID galvanisch angekoppelt ist und der gleichzeitig als ein Fluß-Pickup-Loop funktioniert. Ein solches SQUID-Magnetoitieter kann eine Tankfrequenz von 3 GHz haben. One possibility is to use a λ-resonator, to which an rf-SQUID is galvanically coupled and which simultaneously functions as a flux pickup loop. Such a SQUID magnetoitieter can have a tank frequency of 3 GHz.

Der Einsatz eines &lgr;-Resonators ist allerdings problematisch, da dieser nur eine geringe Güte von einigen 100 zeigt. Dies stellt in Anbetracht der schon mit den &lgr;/2-Resonatoren erreichten Güten von einigen 1000 eine recht geringe Größe dar.The use of a λ-resonator is problematic, however, as it only has a low quality factor of a few 100. This is a relatively small value considering the quality factors of a few 1000 already achieved with the λ/2 resonators.

Darüber hinaus führt auch die Tatsache, daß durch die galvanische Kopplung ein schwer zu kalkulierender Parameter, nämlich die Hochfrequenzstromverteilung, mit berücksichtigt werden muß, zu beträchtlichen Problemen. Die Hochfrequenzstromverteilung stellt eine nicht einfach zu berechnende oder experimentell zu kontrollierende Größe dar. Das SQUID-Layout ist daher schwer zu optimieren.In addition, the fact that the galvanic coupling requires a parameter that is difficult to calculate, namely the high-frequency current distribution, to be taken into account, leads to considerable problems. The high-frequency current distribution is a quantity that is not easy to calculate or experimentally control. The SQUID layout is therefore difficult to optimize.

Eine weitere Möglichkeit besteht darin, planare LC-Schwingkreise aus YBaCuO-Dünnschichten mit hoher Frequenz und hoher Güte herzustellen. Diese LC-Schwingkreise werden in einer flip-chip-Anordnung mit dem rf-SQUID in washer-SQUID-Struktur betrieben. Die dabei auftretenden parasitären Kapazitäten zwischen dem LC-Schwingkreis und dem rf-SQUID verrin-.Another possibility is to produce planar LC resonant circuits from YBaCuO thin films with high frequency and high quality. These LC resonant circuits are operated in a flip-chip arrangement with the rf-SQUID in a washer-SQUID structure. The parasitic capacitances that arise between the LC resonant circuit and the rf-SQUID are reduced.

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gern die Güte des LC-Schwingkreises und machen die Stromverteilung in der kombinierten LC-Schwingkreis -/ washer-SQUID-Struktur kompliziert.tend to reduce the quality of the LC resonant circuit and complicate the current distribution in the combined LC resonant circuit/washer SQUID structure.

In der noch unveröffentlichten Anmeldung 196 11 900.6 hat die Anmelderin die eingangs genannte Anordnung beschrieben. Diese löst das Problem der parasitären Kapazitäten. Nach wie vor besteht aber das Problem, daß aufgrund der Tatsache, daß die koplanar angeordneten rf-SQUID und Tankschwingkreis nicht mit der Grundplatte in einer Ebene angeordnet werden können und die Grundplatte außerdem eine mögliche Rauschquelle darstellt, die den Einsatz eines rf-SQUID-Magnetometers einschränken kann.In the as yet unpublished application 196 11 900.6, the applicant has described the arrangement mentioned at the beginning. This solves the problem of parasitic capacitances. However, the problem still exists that the coplanar rf-SQUID and tank resonant circuit cannot be arranged in the same plane as the base plate and the base plate also represents a possible source of noise, which can limit the use of an rf-SQUID magnetometer.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist daher, eine Anordnung zu schaffen, die beim Ankoppeln eines rf-SQUID-Magnetometers an einen supraleitenden Schwingkreis das oben stehende Probleme beseitigt.The object of the present invention is therefore to provide an arrangement which eliminates the above problems when coupling an rf-SQUID magnetometer to a superconducting oscillating circuit.

Die Aufgabe wird gemäß Anspruch 1 dadurch gelöst, daß die Grundplatte als äußere Schleife koplanar zu dem rf-SQUID und dem Tankschwingkreis ausgebildet ist und einen Schlitz aufweist, und daß der Tankschwingkreis eine innere Schleife umfaßt, in welcher der Schlitz ausgebildet ist und die Orientierung der Schlitze der inneren Schleife und der äußeren Schleife zueinander die Resonanzfrequenz f,_ bestimmt.The object is achieved according to claim 1 in that the base plate is designed as an outer loop coplanar to the rf-SQUID and the tank resonant circuit and has a slot, and that the tank resonant circuit comprises an inner loop in which the slot is formed and the orientation of the slots of the inner loop and the outer loop to one another determines the resonance frequency f,_.

Die erfindungsgemäße Anordnung bezieht sich auf die Möglichkeit einer vorteilhaften, optimalen Ankopplung eines rf-SQUID an einen Tankschwingkreis und eine Grundplatte, die die eingangs genannten Nachteile nicht aufweist. Mit der vollintegrierten Anordnung von rf-SQUID, Tankschwingkreis und Grundplatte und der Ausbildung bzw. Orientierung der Schlitze im rf-SQUID und in der Grundplatte gemäß Anspruch 1 läßt sich die Tankfrequenz in einfacher Weise geometrieabhängig einstellen und bietet somit einen wesentlichen Vorteil z. B. beim Aufbau eines Mehrkanal-SQUID-Systems für medizinische Anwendungen. Darüber hinaus kann ein durch die Grundplatte bedingtes Rauschen unterdrückt werden.The arrangement according to the invention relates to the possibility of an advantageous, optimal coupling of an rf-SQUID to a tank resonant circuit and a base plate, which does not have the disadvantages mentioned above. With the fully integrated arrangement of rf-SQUID, tank resonant circuit and base plate and the design or orientation of the slots in the rf-SQUID and in the base plate according to claim 1, the tank frequency can be easily adjusted depending on the geometry and thus offers a significant advantage, for example, when setting up a multi-channel SQUID system for medical applications. In addition, noise caused by the base plate can be suppressed.

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•Φ · 4* %* •Φ · 4* %*

Zudem ermöglicht die vollintegrierte Anordnung eine einfache Abschätzung der Kopplung zwischen dem rf-SQUID und dem Tankschwingkreis.
5In addition, the fully integrated arrangement allows a simple estimation of the coupling between the rf-SQUID and the tank circuit.
5

Gemäß Anspruch 2 ist es von Vorteil, daß in die Anordnung ein Flußtransformator integriert ist, um die Magnetfeldempfindlichkeit eines rf-SQUID noch weiter zu steigern.According to claim 2, it is advantageous that a flux transformer is integrated into the arrangement in order to further increase the magnetic field sensitivity of an rf-SQUID.

Ein weiterer Vorteil gemäß Anspruch 3 besteht darin, daß der Flußtransformator eine Einkoppelspule umfaßt, die kurzgeschlossen ist. Dadurch findet eine Entkopplung von zwei Stromformen statt, die in einer solchen Anordnung existieren. Die beiden Stromformen unterscheiden sich in ihren hohen und niedrigen Frequenzen. Durch die Entkopplung verschwinden die parasitären Beiträge des Hochfrequenzstromes, die an den Überkreuzungen des Flußtransformators entstehen. Im entkoppelten Zustand fließt über die Überkreuzungen nur niederfrequenter Strom.A further advantage according to claim 3 is that the flux transformer comprises a coupling coil that is short-circuited. This results in a decoupling of two current forms that exist in such an arrangement. The two current forms differ in their high and low frequencies. The decoupling eliminates the parasitic contributions of the high-frequency current that arise at the crossovers of the flux transformer. In the decoupled state, only low-frequency current flows across the crossovers.

Gemäß Anspruch 4 ist es von besonderem Vorteil, wenn der Kurzschluß an einer bestimmten Position des Kondensator erfolgt. According to claim 4, it is particularly advantageous if the short circuit occurs at a specific position of the capacitor.

Ein weiterer Vorteil gemäß Anspruch 5 besteht darin, daß die Feldrichtung der Einlageschleife entgegengesetzt zu der Feldrichtung der Einkoppelspule ist. Dadurch wird das SQUID-Signal in dieser Geometrie verstärkt.A further advantage according to claim 5 is that the field direction of the insert loop is opposite to the field direction of the coupling coil. As a result, the SQUID signal is amplified in this geometry.

Eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung im folgenden anhand der Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigen:An embodiment of the present invention is described in more detail below with reference to the drawings. They show:

Fig. 1 eine schematische Draufsicht eines einlagigen Flußtransformators mit einer als koplanare Schleife ausgebildeten Grundplatte gemäß vorliegender Erfindung;Fig. 1 is a schematic plan view of a single-layer flux transformer with a base plate formed as a coplanar loop according to the present invention;

Fig. 2 eine schematische Ansicht eines einlagigen Flußtransformators mit einer als koplanare Schleife ausgebildetenFig. 2 is a schematic view of a single-layer flux transformer with a coplanar loop

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Grundplatte und einem mehrlagigen Flußtransformator gemäß vorliegender Erfindung;base plate and a multilayer flux transformer according to the present invention;

Fig. 3 eine schematische Ansicht eines einlagigen Flußtransformator mit einer als koplanare Schleife ausgebildeten Grundplatte und einem mehrlagigen Flußtransformator mit Kurzschluß gemäß vorliegender Erfindung;Fig. 3 is a schematic view of a single layer flux transformer with a base plate designed as a coplanar loop and a multi-layer flux transformer with short circuit according to the present invention;

Fig. 4 eine schematische Draufsicht auf ein Gradiometer-SQUID bzw. Zweiloch-SQUID.Fig. 4 is a schematic plan view of a gradiometer SQUID or two-hole SQUID.

Fig. 1 zeigt schematisch eine erfindungsgemäße Anordnung, in welcher die Grundplatte 10 als eine koplanare Anordnung in Form einer äußeren Schleife 10a ausgebildet ist. Dadurch können der Tankschwingkreis 1 und die Grundplatte 10 in einer Ebene angeordnet sein. Innerhalb des Tankschwingkreises 1 ist ein Flußtransformator mit einer Einlagenschleife 3.1 angeordnet. Ein Gradiometer-SQUID 2 bzw. Zweiloch-SQUID (Fig.4) ist derart eingesetzt, daß der Josephsonkontakt am Berührungspunkt der zwei Washerflachen positioniert ist. Dieses SQUID wird in flip-chip-Anordnung auf den Flußtransformator aufgebracht .Fig. 1 shows schematically an arrangement according to the invention in which the base plate 10 is designed as a coplanar arrangement in the form of an outer loop 10a. This allows the tank resonant circuit 1 and the base plate 10 to be arranged in one plane. A flux transformer with a single-layer loop 3.1 is arranged within the tank resonant circuit 1. A gradiometer SQUID 2 or two-hole SQUID (Fig. 4) is inserted in such a way that the Josephson contact is positioned at the point of contact between the two washer surfaces. This SQUID is applied to the flux transformer in a flip-chip arrangement.

In Fig. 2 ist innerhalb des Tankschwingkreises 1 ein Flußtransformator vorgesehen, der eine mehrlagige Einkoppelspule 3.2 umfaßt. Die mehrlagige Einkoppelspule 3.2 weist zudem eine Überkreuzung 4 auf.In Fig. 2, a flux transformer is provided within the tank resonant circuit 1, which comprises a multi-layer coupling coil 3.2. The multi-layer coupling coil 3.2 also has a crossover 4.

Aufgrund der Tatsache, daß in der vorliegenden Anordnung eine hochfrequente und eine niederfrequente Stromform vorliegen und sich der Hochfrequenzstrom an den Überkreuzungen 4 des Flußtransformators parasitär auswirkt und bei einer Tankfrequenz von etwa 900 MHz die Güte des Schwingkreises herabsetzt, sind an einer Position A an einem Kondensator 5 Kurz-Schlüsse vorgesehen, die die beiden Stromformen entkoppeln, so daß über die Überkreuzungen 4 im entkoppelten Zustand nur noch niederfrequente Ströme fließen. Die Kurzschlüsse sind normalleitende Hochfrequenzmetallkurzschlüsse. Die zweite supraleitende Schleife 10a dient zur Hochfrequenzkopplung zwi-Due to the fact that in the present arrangement there is a high-frequency and a low-frequency current form and the high-frequency current has a parasitic effect on the crossovers 4 of the flux transformer and reduces the quality of the resonant circuit at a tank frequency of around 900 MHz, short circuits are provided at a position A on a capacitor 5, which decouple the two current forms, so that only low-frequency currents flow across the crossovers 4 in the decoupled state. The short circuits are normally conductive high-frequency metal short circuits. The second superconducting loop 10a serves for high-frequency coupling between

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sehen SQUID 2 und Flußtransformator. Hier wirkt der Hochfrequenzstrom und sorgt für die Kopplung zwischen SQUID 2 und Tankschwingkreis 1. Dadurch, daß die Feldrichtung der Einlagenschleife 3.1 und der Mehrlagenspule 3.2 genau entgegengesetzt sind, wird das SQUID-Signal in dieser Geometrie verstärkt .see SQUID 2 and flux transformer. The high frequency current acts here and ensures the coupling between SQUID 2 and tank resonant circuit 1. Because the field direction of the single layer loop 3.1 and the multilayer coil 3.2 are exactly opposite, the SQUID signal is amplified in this geometry .

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Claims

- 1 -Protection claims

1. Arrangement for coupling an rf-SQUID to a superconducting tank circuit and to a base plate, in which the tank circuit and the rf-SQUID form a coplanar structure and the tank circuit has a slot, characterized in that
that the base plate is designed as an outer loop (10a) coplanar to the rf-SQUID (2) and the tank resonant circuit (1) and has a slot, and that the tank resonant circuit (1) comprises an inner loop in which the slot is formed and the orientation of the slots of the inner loop and the outer loop to one another determines the resonance frequency f^.

certainly.

2. Arrangement according to claim 1,
characterized,

that a flux transformer is formed within the tank resonant circuit (1), which has the coplanar outer loop (2), an insert loop (3.1) and a capacitor (5).

3. Arrangement according to claim 2,
characterized,

that a second coupling coil (3.2) is provided with a crossover (4) which is short-circuited.

4. Arrangement according to claim 3,
characterized,

that the short circuit occurs at a position A of the capacitor (5) in order to decouple a high frequency current.

5. Arrangement according to one of claims 2-4, characterized in

that the field direction of the insert loop (3.1) is opposite to the field direction of the coupling coil (3.2).

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