Verlag des Forschungszentrums Jülich

JUEL-3889
Bick, Marcel
HTSL-rf-SQUID-Sensoren in Magnetfeldern: Charakterisierung und Störsignalunterdrückung
III, 142 S., 2001

Im Rahmen der vorliegenden Dissertation wurden zwei Themenkomplexe untersucht, die von großer Bedeutung sind für die Realisierung von hochempfindlichen SQUID-Meßsystemen zum Betrieb in einer magnetisch stark gestörten Umgebung, z.B. für den Einsatz in der Magnetokardiographie.

Der Einfluß externer Magnetfelder auf die Funktion von rf -SQUID-Sensoren aus dem Hochtemperatursupraleiter YBa₂Cu₃O_7-[gamma] wurde systematisch untersucht, und es wurden Möglichkeiten aufgezeigt, die Stabilität dieser Sensoren in magnetisch ungeschirmter Umgebung erheblich zu verbessem (Kap.3). Zudem wurde ein Verfahren zur Unterdrückung anthropogener magnetischer Störfelder mit Hilfe einer frequenzabhängigen Balancierung von HTSL-rf -SQUm-Sensoren vorgestellt und der Vorteil der neuen Methode durch Anwendung auf simulierte und reale Störfelder nachgewiesen (Kap.4).

Ein externes Magnetfeld moduliert den kritischen Strom im Josephson-Kontakt eines rf- SQUill mit der Periode ßBo und beeinflußt damit den SQUiD-Parameter [beta]_L sowie die Fluß- zu-Spannungs- Transferfunktion. Für eine stabile Funktion des rf -SQUID in Magnetfeldern ist eine möglichst große Magnetfeldperiode [Delta]B₀ erforderlich. Unter Berücksichtigung der flußfokussierenden Wirkung des SQUm-washers und der inhomogenen Flußdichteverteilung im SQUiD-Loch wurde die Magnetfeldperiode in Abhängigkeit von den Sensorparametern, der SQUiD-Induktivität L_s, der effektiven Sensorfläche A_eff und der Breite des Josephson- Kontakts w berechnet (Kap.3.2). Die Rechnungen zeigten, daß eine erhöhte Magnetfeld- periode ohne Verlust der Sensorempfindlichkeit durch eine Reduzierung der Kontaktbreite erreicht werden kann.

In der Folge wurden sowohl rf-washer-SQUIDs mit unterschiedlichen Kontaktbreiten zwischen 0,7 und 3 µm als auch washer-SQUIDs in flip-chip-Konfiguration mit koplanaren Resonatoren mit unterschiedlichen effektiven Flächen zwischen 0,21 und 1,11 mm² eingehend im Magnetfeld charakterisiert. Der Vergleich der Modellvorhersagen mit den experimentell bestimmten Magnetfeldabhängigkeiten der Transferfunktion (Kap.3.4) und des kritischen Stroms (Kap.3.5) ermöglichte folgende wesentliche Schlußfolgerungen:

• Die Unterdrückung der Transferfunktion des rf-SQUID durch ein äußeres Magnetfeld ist eng mit der Unterdrückung des kritischen Stroms korreliert und verursacht in Abhängigkeit von der Magnetfeldperiode einenAnstieg des weißen Flußrauschens.
• Zur Vermeidung eines signifikanten Rauschanstiegs muß die Magnetfeldperiode um mehr als den Faktor 2 größer sein als das externe Magnetfeld, vgl. Kriterium (3.10).
• Die Magnetfeldperiode ist umgekehrt proportional zur effektiven Sensorfläche. Eine Reduzierung der Sensorfläche vergrößert damit zwar die Stabilität im Magnetfeld- vermindert aber gleichzeitig die Feldempfindlichkeit.
• Durch Reduzierung der Breite des Josephson-Kontakts wird die Magnetfeldperiode erhöht und damit die Stabilität im Magnetfeld verbessert, ohne daß die Feldempfindlichkeit eingeschränkt wird. Die erforderliche Kontaktbreite für den stabilen SQUID-Betrieb in einem gegebenen externen Magnetfeld kann in Abhängigkeit von der effektiven Fläche der Sensoren mittels Gleichung (3.9) für den Dünnschichtfall und einer experimentell ermittelten Feldüberhöhung von B_JK/B_M -2,2 bestimmt werden.

Die nach (3.9) berechneten Kontaktbreiten für die gebräuchlichsten Sensortypen sind in Abb.3.37 in Kap.3.6 dargestellt. In Kap.3.6 findet sich ebenfalls eine detaillierte Zusammenfassung und Diskussion der im Rahmen dieser Untersuchungen gewonnenen Ergebnisse. Sie ermöglichen allgemeingültige Aussagen zur Festlegung geeigneter Sensorparameter von rf-washer-SQUIDs für den stabilen Betrieb in magnetisch ungeschirmter Umgebung. Dies ist eine wichtige Voraussetzung für den erfolgreichen Einsatz von SQUID- Systemen in der zerstörungsfreien Werkstoffprüfung, der geophysikalischen Exploration und der Magnetokardiographie.

Neben der Stabilität der SQUID-Sensoren im Magnetfeld spielt die Unterdrückung von unerwünschten magnetischen Störfeldern beim Betrieb von SQUID-Systemen in magnetisch ungeschirmter Umgebung eine wichtige Rolle. Dazu wurde im zweiten Teil der vorliegenden Arbeit das Verfahren der frequenzabhängigen Gradiometrie (FDG) vorgestellt (Kap.4.2) und charakterisiert (Kap.4.3 und 4.4). Anhand der Messung von Magnetokardiogrammen mit HTSL-rf-SQUID-Systemen konnten die folgenden wesentlichen Vorteile des FDG- Verfahrens gegenüber konventioneller Software- bzw. elektronischer Gradiometrie nachgewiesen werden:

• Frequenzabhängige Balancierungskoeffizienten führen zu einer verbesserten Unterdrückung magnetischer Störsignale unterschiedlicher Frequenz, die am Ort des Meßsensors unterschiedliche Gradienten aufweisen.
• Treten Störsignale nur bei diskreten Frequenzen auf, so wird das magnetische Feldrauschen des Meßsystems gesenkt.
• Adaptive Balancierungskoeffizienten berücksichtigen zeitliche Schwankungen externer Störungen während der Messung.

Diese Vorteile führen zu einer deutlich verbesserten Unterdrückung von Störsignalen und zu einem verbesserten Signal-zu-Rausch-Verhältnis. Damit ist es möglich, ohne den Einsatz von Bandsperrfiltern die Bandbreite eines außerhalb magnetischer Abschirmung eingesetzten SQUID-Systems von 130 Hz auf die für die klinische Diagnostik notwendige Bandbreite von 250 Hz [Bre91, Str96] bei vergleichbarem Signal-zu-Rausch-Verhältnis zu erweitern.

HTSL-rf-SQUID-Systeme, die mittels der vorgestellten Optimierung der Sensorparameter stabil in magnetisch ungeschirmter Umgebung betrieben werden, könnten in Verbindung mit den beschriebenen Verfahren zur Unterdrückung von Störsignalen einen wichtigen Beitrag zur Etablierung der Magnetokardiographie in der medizinischen Diagnostik liefern.

Due to their excellent sensitivity to magnetic fields, HTS SQUID sensors are widely used in many applications outside magnetic shielding, e.g. for geophysical exploration of ore and hydrocarbon deposits, for nondestructive evaluation of aircraft and bridge components and for the measurement of biomagnetic signals for diagnostic purposes. In this work, two main subjects are investigated which are essential for the realisation of highly sensitive SQUID systems for operation in a magnetically strongly disturbed environrnent, for exarnple for application in magnetocardiography: the influence of magnetic fields on the operation of YBa₂Cu₃0_7-[gamma]-rf-washer-SQUIDs with step-edge Josephson junctions is investigated (section 3) and a method for the reduction of environrnental magnetic noise is presented and characterised (section 4).

An extemal magnetic field modulates the critical current in Josephson junctions with a period of [Delta]B₀ and affects the rf-SQUID pararneter [beta]_L and therefore the flux-voltage transfer function arnplitude. For stable SQUID operation, a large period [Delta]B₀ is desirable. Taking into account the flux focussing effect of the SQUID-washer, the magnetic field period is calculated depending on the SQUID inductance L_s, the effective sensor area A_eff and the junction width w. The calculations show to what extent an enlarged field period -and thus an enhanced stability in magnetic fields -can be obtained without loss of field sensitivity by reducing the width of the Josephson junction.

Rf-washer-SQUIDs with differentjunction widths between 0,7 and 3 µm as well as rf-washer- SQUIDs in flip-chip configuration with coplanar resonators with different effective sensor areas between 0,21 and 1,11 mm2 are characterised. A comparison between models and experiments leads to the following main conclusions: The suppression of the SQUID's transfer function is strictly correlated to the suppression of the critical current leading to an increased white flux noise level of the sensors. Depending on the effective sensor area, the necessary junction width for stable SQUID operation in a given magnetic field can be calculated taking into account an experimentally deterrnined field enhancement of B_JK/B_M - 2,2. This field enhancement can be attributed to the inhomogeneous field distribution in the SQUID hole. It is shown that a junction width in the submicrometer scale is required for operation ofrf-SQUIDs and coplanar resonators in the Earth's magnetic field.

Besides the stability of SQUID sensors in magnetic fields, the reduction of unwanted magnetic disturbances is a key issue for successful SQUID applications. For this purpose, a software gradiometry method is presented which makes use of adaptive frequency dependent gradiometer (FDG) coefficients deterrnined in the Fourier domain to subtract reference from signal data. By recording magnetocardiograrns (MCG) with HTS SQUID based gradiometers, the method is characterized in- and outside magnetic shielding. The following three main advantages of the F DG method compared to conventional gradiometry are demonstrated: Frequeny dependent coefficients lead to an enhanced reduction of disturbing magnetic signals which have different gradients at different frequencies; the magnetic field noise of the SQUID system is reduced when environmental noise only exists at discrete frequencies; variations of the noise character in time can be taken into account by using adaptive coefficients.

These advantages lead to a significantly improved reduction of environmental and intrinsic noise and to an improved signal-to-noise ratio. Thus, it is possible to extend the bandwidth of an electronic gradiometer from 130 Hz to 250 Hz without using notch filters, meeting the recommended standard for clinical MCG diagnostics.

This work shows that rf-SQUID sensors can be optimised for stable operation in the Earth's magnetic field by choosing appropriate junction widths depending on the effective sensor areas. In combination with suitable noise cancellation methods, HTS rf-SQUID systems can playa key part in establishing magnetocardiography in clinical diagnostics in the near future.

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