Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-1057
Main Title: Neuartige Systemkonzepte zur Messsignalerfassung für supraleitende Quanteninterferometer
Author(s): Scheiner, Marius
Advisor(s): Orglmeister, Reinhold
Granting Institution: Technische Universität Berlin, Fakultät IV - Elektrotechnik und Informatik
Type: Doctoral Thesis
Language: German
Language Code: de
Abstract: Die vorliegende Arbeit beschreibt die Entwicklung und Charakterisierung neuer Elektronikschaltungen zum direkten Auslesen von SQUIDs (supraleitenden Quanteninterferometern). SQUIDs gehören zu den empfindlichsten elektronischen Sensoren zur Erfassung magnetischer Felder. Ihre Funktionsweise beruht auf der Ausnutzung von Quanteneffekten, die nur im supraleitenden Zustand auftreten. Daher sind die Sensoren je nach supraleitendem Material in flüssigem Helium (bei Niob) oder flüssigem Stickstoff (bei YBCO) zu kühlen. Konventionelle SQUID-Ausleseschaltungen arbeiten bei Raumtemperatur und sind analog ausgelegt. Sie weisen für viele Anwendungen unerwünschte Begrenzungen der Systemeigenschaften auf, da das thermische Rauschen des Vorverstärkers die Empfindlichkeit des Gesamtsystems begrenzt. Die durch die Kühlgefäßbauformen vorgegebenen Verbindungsleitungen zwischen SQUID und Ausleseschaltung führen auf Grund von Laufzeiteffekten zu begrenzten Bandbreiten. Auf Grund der extremen Bandbreite (DC..einige THz) und der starken Nichtlinearität der Josephsonkontakte sind SQUIDs äußerst empfindlich gegenüber Schaltpulsen. Digitale bzw. prozessorgesteuerte Komponenten in der Nähe der Ausleseelektronik sind außerordentlich riskant. Um den Aufbau eines SQUID-Systems zu vereinfachen und höhere Bandbreiten zu ermöglichen, wird in dieser Arbeit prinzipiell das Konzept einer direkt an das SQUID gekoppelten Elektronik ohne Modulationstechnik verfolgt. Damit werden erheblich höhere Anforderungen an die Rauscheigenschaften des Vorverstärkers der Schaltung gestellt. Ein Aspekt dieser Arbeit befasst sich mit der Verlegung des direkt gekoppelten Vorverstärkers in das Kühlmedium, um das thermische Rauschen zu reduzieren und um die Länge der Verbindungsleitungen wesentlich zu verringern. Es wurde eine kundenspezifische integrierte Schaltung (ASIC) entworfen und optimiert. Mit diesem Chip konnte eine Ausleseschaltung mit einem Spannungsrauschen von <250pV/Sqrt(Hz) realisiert werden. Die gesamte Schaltung arbeitet in flüssigem Stickstoff und ist daher in der Nähe des SQUIDs einsetzbar. Ein weiterer Schwerpunkt der Arbeit beschreibt die erfolgreiche Umsetzung eines auf Mikrocontroller gestützten Konzepts zur prozessorgesteuerten Arbeitspunkteinstellung, ein Schritt, der bei vielkanaligen SQUID-Systemen unumgänglich ist. Für die hohen Anforderungen eines 304-Kanal-SQUID-Systems wurde ein Konzept für die dafür vorgesehene Ausleseschaltung erarbeitet, das einen Analog- und Digitalteil, eine busfähige Schnittstelle und Steuersoftware für den eingesetzten Mikrocontroller beinhaltet. Im Ergebnis entstand eine rauscharme SQUID-Elektronik mit sehr geringem Leistungsbedarf. Komponentenauswahl und ein entsprechendes Design ermöglichten den Einsatz digitaler Bauteile in unmittelbarer Nähe der empfindlichen Analogbaugruppen ohne Beeinträchtigung der Messsignale. Beide Schaltungsentwicklungen zeichnen sich dadurch aus, dass nicht auf das übliche Expertenwissen oder Spezifikationen zurückgegriffen werden konnte, da sowohl die Arbeitstemperatur 77 K für die meisten Elektronikkomponenten, als auch die extrem breitbandige Empfindlichkeit der Sensoren in der konventionellen Elektronikpraxis nicht vorkommen.
URI: urn:nbn:de:kobv:83-opus-9577
http://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/1354
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-1057
Exam Date: 28-Jan-2005
Issue Date: 19-May-2005
Date Available: 19-May-2005
DDC Class: 620 Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
Subject(s): ASIC optimiert für tiefe Temperaturen
Ausleseschaltung
Rauscharmer Verstärker
SQUID
Supraleiter
ASIC optimised for low temperature
Low-noise amplifier
Read-out electronics
SQUID
Superconductor
Usage rights: Terms of German Copyright Law
Appears in Collections:Technische Universität Berlin » Fakultäten & Zentralinstitute » Fakultät 4 Elektrotechnik und Informatik » Publications

Files in This Item:
File Description SizeFormat 
Dokument_14.pdf4,04 MBAdobe PDFThumbnail
View/Open


Items in DepositOnce are protected by copyright, with all rights reserved, unless otherwise indicated.