Silvia Knappe, Dissertation, Fachbereich Physik der Universität Hamburg, 1998 :
"Optimierte SQUID-Sensoren für Anwendungen in zerstörungsfreier
Werkstoffprüfung, Umweltgeophysik und Biomagnetismus"
Schlagwörter: Supraleitung, SQUIDs, Magnetometer, Gradiometer, NiobTechnologie, Statistische Versuchsplanung, Superconducting Devices, Niobium Technology
Summary
Supraleitende Quanteninterferometer (SQUIDs) können als Fluß-Spannungswandler
eingesetzt werden, um extrem kleine Änderungen der magnetischen Flußdichte B zu
messen. Die Qualität eines SQUID-Systems wird durch die Eigenschaften der SQUIDs,
der gewählten Auslese-Elektronik und durch die verfügbaren Maßnahmen zur
Störsignalunterdrückung beeinflußt. Die Eigenschaften des SQUIDs hängen vom
Schaltungsentwurf und von technologischen Beschränkungen bei der SQUID-Herstellung
ab. In dieser Arbeit werden beim Entwurf der SQUIDs die Einflüsse von
Auslese-Elektronik, Dünnfilm-Technologie, Maßnahmen zur Störunterdrückung, sowie
deren Wechselwirkungen untereinander explizit berücksichtigt, um Systeme mit hoher
Qualität realisieren zu können. Drei verschiedene SQUID-Schaltungen werden
vorgestellt, die jeweils die unterschiedlichen Anforderungen bei geophysikalischen und
biomagnetischen Untersuchungen, sowie in der zerstörungsfreien Werkstoffprüfung
erfüllen. Dabei wird gezeigt, daß das für LTS-Mehrschleifen-Magnetometer entwickelte
Optimierungskonzept erfolgreich auf den HTS-Bereich übertragen werden kann, indem
die Arbeitstemperatur als eine Einflußgröße unter vielen aufgefaßt wird.
Das HTS-Planargradiometer GH1 erreicht mit einer Sensorgröße von 1mmx3mm ein
weißes Gradientenrauschen von 2,2nT/(m Hz1/2) bei 77K und ist damit im
Bereich der zerstörungsfreien Werkstoffprüfung einsetzbar.
Das HTS-Mehrschleifen-Magnetometer WH1 zeigt in magnetisch geschirmter
Umgebung exzellente Rauscheigenschaften, je nach Kontakttyp zwischen
10fT/Hz1/2 und 30fT/Hz1/2 (bei 77K, 1kHz). Die erreichte
Feldauflösung entspricht der kommerzieller LTS-SQUID-Systeme und ermöglicht
diagnostisch relevante Untersuchungen von Herzsignalen.
Geophysikalische Untersuchungen in magnetisch ungeschirmter Umgebung erfordern
eine extrem hohe Slewrate von mindestens 106 Φ 0 /s, die
im Fall des LTS-Mehrschleifen-Magnetometers W8/SI u.a. durch eine sehr kleine
effektive Fläche erreicht wird. Die neueste Version, W8/G, weist einen Durchmesser von
2,3 mm und 12 parallele Schleifen auf. Bei Verwendung von SNAP-Kontakten wird ein
Flußdichterauschen im weißen Bereich von 4fT/Hz1/2 erwartet. Werden
statt dessen die in dieser Arbeit erstmals vorgestellten CEMA-Kontakte verwendet,
sollten ca. 2fT/Hz1/2 erreichbar sein. Der Counter Electrode Masked
Anodisation Prozeß ermöglicht es, mit Standardmethoden der UV-Lithographie
Kontaktflächen von ca. μm1/2 mit minimaler Streukapazität zu
realisieren.
In dieser Arbeit werden die Methoden der Statistischen Versuchsplanung als ein ideales
Werkzeug für diese vielfältigen und zeitintensiven Optimierungsaufgaben bei der
SQUID-Fertigung vorgestellt. Verschiedene Beispiele demonstrieren die Effektivität
dieser Methoden und belegen die Qualitätssteigerung der SQUIDs durch Fortschritte in
der Dünnfilm-Technologie.
Titel
Kurzfassung
Superconducting quantum interference devices (SQUIDs) are the most sensitive devices
for measuring weak magnetic fields. The quality of a SQUID system depends on the
SQUIDs, the read-out electronics and the provided shielding and/or noise cancellation
techniques. The performance of the SQUID itself is determined by the chosen design and
limited by thin film technology. Thus, considering the influence of shielding concepts,
read-out electronics, thin film technology and interactions between all components
explicitly, in this thesis different SQUID designs are developed to satisfy the various
requirements of SQUID systems for NDE, biomagnetism and geophysical applications.
Particularly, the optimization concept for LTS multiloop SQUIDs is successfully
transferred to HTS multiloop SQUIDs by treating temperature as one additional factor.
The planar YBa2 Cu3O7-x gradiometer GH1 is
designed for simple NDE experiments and requires only a monolayer technique. With a
chip size of 1mmx3mm it shows a white noise level of 2,2 nT/mHz1/2 at 77K.
In a magnetic shielded room the HTS multiloop SQUID WH1 shows an excellent white
noise level between 10fT/Hz1/2 and 30fT/Hz1/2 at 77K
depending on the used junction type. Their sensitivity is equal to commercial LTS
SQUID systems, and their performance is sufficient for significant investigations of the
human heart.
For a reliable unshielded operation in geophysical investigations the extremely high slew
rate of 106Π0/s is realized by the LTS multiloop SQUID W8/SI with a small effective
area. In the latest design W8/G a diameter of 2,3 mm and 12 parallel loops are provided.
Its white noise level is expected to be 4fT/Hz1/2 when using SNAP
junctions, respectively, 2fT/Hz1/2 when using CEMA junctions which are
described in this thesis for the first time. In the counter electrode masked anodization
process junctions with areas about 1μm2 and minimum stray capacity
can be realized by standard UV lithography.
The methods of experimental design are introduced in this thesis and applied to SQUID
fabrication in order to improve the quality of SQUIDs by optimizing the thin film
technology. Several examples demonstrate the power of experimental design and the
effect of process development on the SQUID performance.