DE19525514A1

DE19525514A1 - Method for reducing noise in superconducting quantum interference detectors (SQUIDs) - using high frequency magnetic fields, removing flux threads, anchoring them to pinning centres

Info

Publication number: DE19525514A1
Application number: DE1995125514
Authority: DE
Inventors: Stefan Schoene; Christoph Heiden; Hans-Michael Mueck
Original assignee: MUECK HANS MICHAEL
Current assignee: MUECK HANS MICHAEL
Priority date: 1995-07-13
Filing date: 1995-07-13
Publication date: 1997-01-16

Abstract

The method involves using high frequency magnetic fields which drive out the flux threads in the SQUID sensor or anchor them to latching centres to lower their number or mobility. The noise reduction system can comprise a high frequency generator as well as a related amplifier integrated into the sensor system of the sensor plus read-out electronics. It can also include a coil for coupling the high frequency field.

Description

Es ist bekannt, daß in supraleitenden Quanten-Interferenz-Detektoren (SQUIDs) sowie in evtl. vorhandenen supraleitenden Vorrichtungen zur Signaleinkopplung in den SQUID, z. B. Flußtrans formatoren, durch eingefrorene Flußfäden und deren Bewegung Rauschen entsteht. Die SQUIDs sowie evtl. vorhandene supraleitende Signaleinkopplungsvorrichtungen werden im folgenden Sen soren genannt.It is known that in superconducting quantum interference detectors (SQUIDs) and in possibly existing superconducting devices for signal coupling into the SQUID, e.g. B. river trans formators, caused by frozen river threads and their movement noise. The SQUIDs and any existing superconducting signal coupling devices are described in the following Sen called sensors.

Speziell das 1/f-Rauschen bei niedrigen Frequenzen wird durch diese Flußfäden erzeugt, und die Größenordnung des Rauschens gibt eine Grenze für das Auflösevermögen der verwendeten Sensoren. Störungen, die von außen die Funktion des Sensors und dessen Ausleseelektronik beeinträchtigen, können ebenfalls Flußfäden (Abrikosov- und Josephson-Flußfäden) in den Sensor hineintranspor tieren und somit zu einer Zunahme des Rauschens im Betrieb führen. Dies führt dann ebenfalls zu einer Verringerung des Auflösevermögens der Sensoren.Especially the 1 / f noise at low frequencies is generated by these flux threads, and the The magnitude of the noise is a limit for the resolution of the sensors used. Faults that affect the function of the sensor and its readout electronics from the outside, can also transport river threads (Abrikosov and Josephson river threads) into the sensor animals and thus lead to an increase in noise in operation. This also leads to reduce the resolution of the sensors.

Bisher ist es daher allgemein üblich, äußere Störungen durch erheblichen Aufwand (Netzfilterung, Abschirmungen für elektrische und magnetische Störfelder usw.) von den Meßsystemen fernzuhal ten. Sollte sich das Meßverhalten der Sensoren verschlechtert haben, so werden diese üblicherweise bis zur Normalleitung aufgewärmt und daraufhin wieder abgekühlt, um die zuvor im supraleitenden Material befindlichen Flußfäden herauszubekommen. Dazu kann eine kleine elektrische Heizung dienen die den Sensor in situ lokal erwärmt, oder das Meßsystem wird kurzfristig aus dem kryo genen Bereich entfernt.So far, it has been common practice to avoid external interference due to considerable effort (network filtering, Shields for electrical and magnetic interference fields, etc.) must be kept away from the measuring systems If the measuring behavior of the sensors has deteriorated, they will usually become warmed up to the normal line and then cooled again to the previously in the superconducting To get material out of the river threads. This can be done with a small electric heater serve to locally heat the sensor in situ, or the measuring system is temporarily removed from the kryo removed area.

Diese Methode ist zum einen zeitaufwendig, da das Erwärmen und Abkühlen Zeit in Anspruch nimmt, zum anderen besteht dabei ebenfalls die Gefahr, Störungen zu verursachen, die wiederum zum Einfrieren von Flußfäden in diesem oder auch in anderen Sensoren des jeweiligen Meßsy stems führen kann. Ein weiterer Nachteil ist der dadurch entstehende Kühlmittelverbrauch bei Verwendung kryogener Flüssigkeiten als Kältereservoir. Bei Verwendung von Kleinkältemaschinen muß die in das System eingebrachte Wärme durch diese abgeführt werden, so daß die Temperatur aufgrund der längeren Kühldauer über einen gewissen Zeitraum driftet und somit auch zu einer Verfälschung der Messung beitragen kann.On the one hand, this method is time-consuming because it takes time to heat and cool secondly, there is also the risk of causing interference, which in turn for freezing river threads in this or in other sensors of the respective measuring system stems can lead. Another disadvantage is the resulting coolant consumption Use of cryogenic liquids as a cold reservoir. When using small chillers the heat introduced into the system must be dissipated through it so that the temperature due to the longer cooling time drifts over a certain period of time and thus also to one Can falsify the measurement.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zu schaffen, mit dem die in einem Sensor befindlichen oder durch Störungen eingebrachten Flußfäden einfach und schnell zu entfernen bzw. an Haftzentren in der Sensorstruktur zu verankern sind und dies somit durch Reduktion der be weglichen Flußfäden zu einer deutlichen und reproduzierbaren Verbesserung des Auflösevermögens führt. Die oben angesprochenen Nachteile sollen hierbei vermieden werden, was in kommerziell genutzten Systemen zu einer Betriebskostenreduzierung führt.It is therefore an object of the invention to provide a method with which in a sensor Any or all of the river threads that are present or brought in by faults can be removed quickly and easily are to be anchored at detention centers in the sensor structure and thus by reducing the be moving river threads to a clear and reproducible improvement of the resolving power leads. The disadvantages mentioned above should be avoided here, which is commercial used systems leads to a reduction in operating costs.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die das Rauschen verursachenden Flußfäden durch ein hochfrequentes magnetisches Feld entweder aus dem Sensor her ausgetrieben oder in Pinning-Zentren mit hoher Pinningenergie hineingeschoben werden.The object is achieved in that the river threads causing the noise either driven out of the sensor or into by a high-frequency magnetic field Pinning centers with high pin energy are inserted.

Zu diesem Zweck wird eine Hochfrequenzquelle mit nachgeschaltetem Verstärker z. B. über eine Spule an den Sensor angekoppelt. Die Spule kann wahlweise mit einem parallelgeschalteten Kon densator zu einem Schwingkreis mit einer Resonanzfrequenz gleich der der Hochfrequenzquelle versehen werden. Dies führt dann zu einer weiteren Erhöhung des in den Sensor eingekoppelten magnetischen Feldes. Die Amplitude des Hochfrequenzstromes wird soweit erhöht, daß der Sen sor aufgrund des angelegten Feldes im Bereich der Josephson-Kontakte normalleitend wird und somit nicht mehr arbeiten kann. Die Flußfäden, die sich im Bereich dieser Kontakte befinden verschwinden somit sofort. Im noch supraleitenden Bereich des Sensors werden durch die starken Wechselfelder die nur schwach gebundenen Flußfäden entweder aus dem Sensor herausgetrieben oder in Pinning-Zentren mit höherer Energie gebunden. Nun wird der Hochfrequenzstrom langsam verringert und schließlich ganz abgeschaltet, nachdem der Sensor wieder zu funktionieren beginnt. Das Verfahren ist sowohl zur Rauschverringerung von DC- als auch von RF-SQUIDs geeignet. Bei ersteren ist der Sensor ständig mit der DC-SQUID-Auswerteelektronik verbunden, für RF-SQUIDs besteht die Möglichkeit, den normalerweise zum Auslesen des Sensors benutzten Schwingkreis für die Rauschverminderung einzusetzen.For this purpose, a high frequency source with a downstream amplifier z. B. via a Coil coupled to the sensor. The coil can optionally with a parallel con capacitor to a resonant circuit with a resonance frequency equal to that of the high frequency source be provided. This then leads to a further increase in what is coupled into the sensor magnetic field. The amplitude of the high-frequency current is increased so far that the Sen sensor becomes normally conductive due to the field created in the area of the Josephson contacts and therefore can no longer work. The river threads that are in the area of these contacts disappear immediately. In the still superconducting area of the sensor, the strong Alternating fields the only weakly bound river threads either driven out of the sensor or bound in higher energy pinning centers. Now the high frequency current is slow decreased and finally switched off completely after the sensor starts to function again. The method is suitable for reducing the noise of both DC and RF SQUIDs. At the former is permanently connected to the DC-SQUID evaluation electronics, for RF-SQUIDs it is possible to use the resonant circuit normally used for reading the sensor for use the noise reduction.

In Fig. 1 ist das Schema des Meßsystems im Ausführungsbeispiel zu sehen. Ein mit flüssigen Heliums (LHe, 4) gefüllter Badkryostat 3 nimmt einen Probenhalter 2 auf, an dessen kalten Ende der Sensor 8 montiert ist. Am warmen Ende des Probenhalters befindet sich die Auswerteelektro nik sowie die Elektronik für die Rauschverminderung 1. Am Sensor befindet sich der Schwingkreis 6, mit dem die Rauschverminderung durchgeführt und der Sensor auch als RF-SQUID betrieben werden kann. Weitere Zuführungen sowie eine Rückkoppelspule 5 erlauben einen Betrieb als DC- SQUID, und eine um den Probenhalter befindliche Spule 7 erzeugt ein Gleichfeld am Ort des Sensors. FIG. 1 shows the diagram of the measuring system can be seen in the embodiment. A bath cryostat 3 filled with liquid helium (LHe, 4 ) receives a sample holder 2 , on the cold end of which the sensor 8 is mounted. The evaluation electronics and the electronics for noise reduction 1 are located at the warm end of the sample holder. The resonant circuit 6 , with which the noise reduction is carried out and the sensor can also be operated as an RF SQUID, is located on the sensor. Additional feeds and a feedback coil 5 allow operation as DC-SQUID, and a coil 7 located around the sample holder generates a DC field at the sensor location.

Mit dem Ausführungsbeispiel wurden drei Meßreihen aufgenommen, um die Funktionsfähigkeit des Verfahrens zu erproben. Für den zum Entrauschen verwendete Hochfrequenzstrom wurden Frequenzen von über 100 MHz eingesetzt, da sonst ein effektives Entrauschen nicht mehr gewähr leistet war.With the exemplary embodiment, three series of measurements were taken to determine the functionality to test the procedure. For the high-frequency current used for noise suppression Frequencies of over 100 MHz are used, as otherwise effective noise suppression is no longer guaranteed was accomplished.

Als erste Meßreihe wurde die Wirkung des Entrauschens auf Sensoren untersucht, die kurz vor der Messung durch Abkühlen im Kryostaten in Betrieb genommen wurden. Der Einfluß eines Gleich magnetfeldes auf das Entrauschen sowie die Wirkung auf verschiedene SQUIDs wurden hierbei untersucht. Wie in Fig. 2 ersichtlich, wurde das 1/f-Rauschen bei 1 Hz um den Faktor 5 reduziert. Das weiße Rauschen bei 40 Hz blieb dagegen weitgehend konstant. Ein Einfluß des angelegten Gleichmagnetfeldes konnte nicht ausgemacht werden.The first series of measurements examined the effect of noise removal on sensors that were put into operation shortly before the measurement by cooling in the cryostat. The influence of a DC magnetic field on the noise suppression and the effect on different SQUIDs were examined. As can be seen in FIG. 2, the 1 / f noise at 1 Hz was reduced by a factor of 5. In contrast, the white noise at 40 Hz remained largely constant. An influence of the applied DC magnetic field could not be identified.

Das Verfahren wurde in einer zweiten Meßreihe auf die Verwendbarkeit nach erfolgten Störungen untersucht. Hierfür wurde der Sensor im Ausführungsbeispiel mehrere Male hintereinander durch elektromagnetische Pulse, wie sie z. B. durch das Ein- und Ausschalten elektrischer Geräte vor kommen gestört. Die Störungen waren so stark, daß auch das Weiße Rauschen stark zunahm. Auch dieses konnte neben dem 1/f-Rauschen entsprechend verringert werden, wie in der Tabelle 1 ersichtlich ist.In a second series of measurements, the method was tested for usability after disturbances examined. For this purpose, the sensor was run through several times in succession in the exemplary embodiment electromagnetic pulses, such as z. B. by switching electrical devices on and off come disturbed. The interference was so strong that the white noise also increased sharply. In addition to the 1 / f noise, this could also be reduced accordingly, as in Table 1 can be seen.

Die Störungen konnten zwar nicht reproduzierbar durchgeführt werden, was sich in einem jeweils unterschiedlichen Rauschpegel bemerkbar macht. Einmal entrauscht, blieben die Sensoren auf dem jeweiligen niedrigen Rauschpegel, ohne daß sich dieser änderte.The disturbances could not be carried out reproducibly, which is reflected in one different levels of noise. Once the noise was removed, the sensors stayed on the low noise level without changing.

In einer dritten Meßreihe wurde die Änderung des Flußsignals von SQUIDs bei Temperaturände rungen unter ansonsten konstanten Bedingungen untersucht. Diese Änderung wird auf die durch Temperaturänderungen verursachten Bewegungen von Flußfäden in den Sensoren zurückgeführt. Hierbei verringert sich die Abhängigkeit δΦ/δT gegenüber nicht entrauschten Sensoren um einen Faktor 4 bis 5, und die Abhängigkeit von δΦ/δT von magnetischen Gleichfeldern reduzierte sich ebenfalls um etwa einen Faktor 10. In a third series of measurements, the change in the flow signal of SQUIDs with temperature changes conditions under otherwise constant conditions. This change is due to the Changes in temperature caused movements of flow threads in the sensors. The dependence δΦ / δT on sensors that are not noisy is reduced by one Factors 4 to 5, and the dependence of δΦ / δT on DC magnetic fields was reduced also by a factor of 10.

Table 1 In this series of measurements, noise removal from sensors after external disturbances was under is looking for. It can be seen that the noise suppression is in each case at the lowest noise level observed here is reduced. It should also be noted here that the "white noise" caused by the interference increased significantly, decreased dramatically

Claims

1. A method for reducing noise in the following sensors called supralei tendency quantum interference detectors (SQUIDs), characterized in that the high-frequency magnetic fields in the sensor located flux threads are either driven out of the sensor or anchored at adhesive centers and thus By reducing their number or their mobility, there is a reduction in the noise caused by the flux threads, especially the so-called 1 / f noise, and a reduction in the temperature dependence of the output signal of the sensors and their dependence on the magnetic field.

2. A noise removal system according to claim 1, characterized in that there is one in the sensors stem - sensor plus readout electronics - integrated high frequency generator as well as an associated Has amplifier with which for coupling high-frequency magnetic fields in device suitable for the sensor, e.g. B. a coil, the magnetic high-frequency field pelt and thus the noise can be carried out.

3. A noise suppression system according to claim 1, characterized in that the coupling of the high frequency magnetic fields in the sensor via a coil connected to a parallel Capacitor as a resonant circuit with the respective resonance frequency of the high-frequency oscillator ar processed and thus causes a further amplification of the radio frequency field and this further Oscillating circuit for reading the sensor can be used as RF-SQUID.

4. A noise suppression system according to claim 1, characterized in that superconducting devices conditions for signal coupling into the actual sensor - the SQUID -, such as. B. flux transformers be treated with the same noise reduction method.