short introduction / kurze Einleitung
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 ßL 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 ßC(4.2 K) = 1. As optimum ßC $\approx$ 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 $\mu\Phi0$/Hz1/2 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 (SB)1/2(77 K, 1 kHz) = 240 fT/Hz1/2is observed. This type of magnetometer was used in first biomagnetic measurements. Magnetocardiographic signals are measured without averaging with a good signal to noise ratio.
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kurze Einleitung / short introduction
In dieser Arbeit werden die Entwicklung und Realisierung von dc SQUID-Magnetometern aus dem Hochtemperatur-SupraleiterYBa2Cu3O7 für den Einsatz bei 77 K beschrieben. Zur Optimierung der Bauelemente werden Simulationen im Rahmen des RCSJ-Modells durchgeführt. Für den Modulationstiefenparameter ßL 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 ßC $\approx$ 2 gewählt werden. Unter Einbeziehung des bei 77 K wichtigen Rauschverrundungsparameters wird eine erweiterteOptimierungsregel 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 20 $\mu\Phi0$/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 (SB)1/2(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.
Publikationsliste weitere Dissertationen am Fachbereich Gruppe N
Arbeit ist erschienen im / published by:
Shaker Verlag, Hubertusstraße 40, 52064 Aachen
ISBN-Nr: 3-8265-1455-6
140 Seiten, Preis: 89,00 DM [ leider / sorry :-(( ]
Last updated: Sonntag, 15. Juni 1997
Dirk Reimer