Dirk Reimer, Dissertation, Fachbereich Physik der Universität Hamburg, 1996 :

"Integrierte Mehrschleifen-Magnetometer aus YBaCuO "

Schlagwörter: Josephson junctions, SQUIDS -magnetometers, high-temperature superconductor, RSCJ-model
Ein ausführlicherer Text mit Hinweisen liegt hier
Summary

Kurzfassung

In dieser Arbeit werden die Entwicklung und Realisierung von dc SQUID-Magnetometern aus dem Hochtemperatur-Supraleiter YBa2Cu3O7 für den Einsatz bei 77 K beschrieben. Zur Optimierung der Bauelemente werden Simulationen im Rahmen des RCSJ-Modells durchgeführt. Für den Modulationstiefenparameter betaL kann als optimal ein Wert nahe 1 angegeben werden. Dieser Wert gleicht dem in früheren Simulationen für Bauelemente aus Niob, die bei 4.2 K betrieben werden, ermittelten Wert. Von den früheren Ergebnissen abweichend sollte der Hystereseparameter betaC = 2 gewählt werden. Unter Einbeziehung des bei 77 K wichtigen Rauschverrundungsparameters wird eine erweiterte Optimierungsregel für die Energieauflösung abgeleitet und diskutiert. Es wird die Entwicklung einer Technologie zur Herstellung von SQUID-Magnetometern aus YBa2Cu3O7 basierend auf Rampenkontakten mit PrBa2Cu3O7-Barrieren beschrieben. Diese Technologie verwendet KrF-Excimerlaserdeposition, konventionelle Photolithographie und Trockenätzen mit Argon-Ionen. Durch den Einsatz eines flux-locked-loop (FLL)-Verfahrens mit ac-Bias-Modulation können bei direkt gekoppelten Magnetometern die niederfrequenten Fluktuationen oberhalb einer Eckfrequenz von 1.2 Hz auf den Wert des weißen Rauschpegels von 20beta0/Hz1/2 unterdrückt werden. Ohne Berücksichtigung der auftretenden Exzess-Ströme kann das 1/f-Rauschen durch Fluktuationen der kritischen Ströme erklärt werden. Zur Demonstration der Verwendbarkeit der Josephson-Kontakte mit künstlichen Barrieren für magnetisch unabgeschirmten Betrieb wurde die Magnetfeldverteilung einer Kupferspule vermessen. Zur Vergrößerung der effektiven Fläche, d.h. zur effizienteren Magnetfeldeinkopplung, wurde in Zusammenarbeit mit der PTB unter Einbringung der Mehrlagentechnologie ein Mehrschleifen-Magnetometer entwickelt. Die Mehrschleifen-Magnetometer können mit hoher Ausbeute für den Betrieb bei 77 K hergestellt werden. Sie werden mit Hilfe von Transport- und Rauschmessungen sowie ortsaufgelöster Mikro-Raman-Spektroskopie charakterisiert. Es wird ein Feldrauschen von SB1/2(77 K, 1 kHz) = 240 fT/Hz1/2 erreicht. Mit solchen Magnetometern wurden erste biomagnetische Messungen durchgeführt. Es konnten ungemittelte Messungen magnetokardiographische Signale mit gutem Signal-zu-Rausch-Verhältnis aufgenommen werden.

Titel

Kurzfassung

Summary

In this thesis the development and realisation of dc SQUIDS -magnetometers made of the high-temperature superconductor YBa2Cu3O7 for operation at 77 K are described. For optimization of the devices simulations in the RSCJ-model are performed. The optimum value of the modulation-depth parameter betaL is found to be close to 1. This value is similar to results previously derived from simulations for niobium devices at 4.2 K. However the hysteresis parameter should be chosen higher than betaC(4.2 K) = 1. As optimum betaC= 2 is found for 77 K. Taking into account the noise rounding parameter gamma, which is important at 77 K, an extended rule for optimum energy resolution is given and discussed. The development of a technology for preparing dc SQUID-magnetometers made of YBa2Cu3O7 basing on ramp type junctions with PrBa2Cu3O7 barriers is described. This technology employs KrF-excimer laser deposition, conventional photolithography and dry-etching with argon ions. Using a flux-locked-loop (FLL) scheme with ac-bias-modulation technique the low frequency fluctuations in directly-coupled magnetometers can be suppressed to the level of the white noise of 20 beta0 (Hz)1/2 above a corner frequency of 1.2 Hz. Neglecting excess currents the 1/f noise can be attributed to critical current fluctuations. In order to demonstrate the operation in a magnetically unshielded environment Josephson junctions with artificial barriers are used in magnetometers for mapping the magnetic field distribution of a copper coil. To increase the effective area for efficient magnetic field coupling a multi-loop magnetometer is developed in collaboration with the PTB using our multilayer technology. The multi-loop magnetometer can be prepared with a high yield for operation at 77 K. They are characterized by transport and noise measurements. For local informations on structural properties micro-Raman spectroscopy is used. At 77 K a flux density noise of SB1/2(77 K, 1 kHz) = 240 fT Hz1/2 is observed. This type of magnetometer was used in first biomagnetic measurements. Magnetocardiographic signals are measured without averaging with a good signal to noise ratio.