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Main Title: Hochempfindliche Stromsensoren auf DC-SQUID-Basis für den Betrieb in elektromagnetisch gestörter Umgebung
Translated Title: Highly sensitive currentsensors based on DC-SQUIDs for operation in electro-magnetically disturbed environment
Author(s): Ruede, Frank
Advisor(s): Obermeier, Ernst
Granting Institution: Technische Universität Berlin, Fakultät IV - Elektrotechnik und Informatik
Type: Doctoral Thesis
Language: German
Language Code: de
Abstract: Im Rahmen dieser Arbeit wurden zwei neuartige SQUID-Sensorfamilien mit einer bisher nicht erreichten Resistenz gegen elektromagnetische Störsignale entwickelt. Die Sensor-familie C1c ist für niederinduktive Anwendungen mit hohen Stör- bzw. Magnetisierungs-feldern (Magnetorelaxometrie, Nukleare Magnetresonanzspektroskopie in kleinen Feldern) besonders geeignet, während die C2-Sensorfamilie für Anwendungen mit höherer Ein-gangsinduktivität eingesetzt werden kann. Der Stromsensor C1c besteht aus einem parallelen Gradiometer 2. Ordnung mit vier Was-hern. Vier verschiedene Sensorgrößen mit Eingangsinduktivitäten von 23...83 nH er-reichen eine sehr hohe gekoppelte Energieauflösung. Je nach Sensorgröße liegt diese zwischen 67…109 h bei 4,2 K für das System aus Sensor und Ausleseelektronik. Die Sensoren lassen sich ungeschirmt im Erdmagnetfeld abkühlen und betreiben, ohne dass es zu eingefrorenem Fluss im Sensor kommt. Im supraleitenden Zustand kann nach Magnetpulsen von 1,7…3,9 mT ohne Beeinträchtigung der Kennwerte gemessen werden. Der Sensor kann damit erstmals ohne eine magnetische Schirmung oder andere Kompensationsmaßnahmen in der Magnetorelaxometrie eingesetzt werden. Integrierte Hochfrequenz-Filter an den Eingängen dämpfen äußere Störungen. Eine Neuentwicklung ist der steuerbare Strombegrenzer im Eingangskreis, der Flusssprünge nach Magnetisierungspulsen verhindert. Bei der Entwicklung des C2-Sensors wird ausführlich auf das Verhalten gradiometrischer SQUID-Reihenschaltungen beim Abkühlen in einem äußeren Feld eingegangen. Eine wichtige Erkenntnis dieser Arbeit ist das Verhalten von parallelen Gradiometern beim Abkühlen im äußeren Feld. Bedingt durch die Flussquantisierung können parallele Gradi-ometer beim Übergang in den supraleitenden Zustand mehrere statistisch verteilte diskre-te Flussnullpunkte annehmen. In Reihenschaltungen kommt es hierdurch zu einer de-gradierten Kennlinie. Das zulässige Feld während des Abkühlens ist dabei erheblich kleiner als das Erdmagnetfeld, wenn das Gradiometer eine brauchbare Empfindlichkeit aufweisen soll. Daher wird als neues Konzept die C2 Reihenschaltung aus seriellen Gra-diometern mit einem supraleitenden Flusstransformator vorgestellt. Durch eine kleine Linienbreite der supraleitenden Strukturen der Reihenschaltung lässt sich diese wie ein einzelnes SQUID im Erdmagnetfeld abkühlen. Über den Flusstransformator wird eine ausreichende Eingangsempfindlichkeit erreicht. Die gekoppelte Energieauflösung der vier Sensorgrößen von 62…1250 nH beträgt 260 h bei 4,2 K. Diese neuartigen Sensoren eigenen sich hervorragend für viele Anwendungen von SQUID-Sensoren, da sie gleichzeitig eine sehr hohe Empfindlichkeit und eine hohe Unter-drückung von Störsignalen bieten.
This thesis describes the development of two novel SQUID sensor families which are extremely robust against electromagnetic interference. The sensor family C1c with a low input inductance is particularly suitable for applications with high disturbing or polarizing magnetization fields up to the Millitesla range (Magnetorelaxometry, Nuclear magnet reso-nance spectroscopy in low excitation fields). The sensor family C2 is intended for applica-tions where a higher input inductance is required. The current sensor C1c consists of a 2nd order parallel gradiometer with four washers. Four different sensor sizes cover a range of input inductances of 23…83 nH. The excellent coupled energy resolution of the sensor including the contribution of the readout electron-ics is in a range of 109…67 h at 4.2 K, depending on the sensor size. A highly balanced gradiometric sensor design enables unshielded cool-down and operation in the Earths magnetic field. The sensors can also withstand magnetic pulses of 1.7…3.9 mT without showing degraded characteristics after the pulse. An integrated controllable current limiter in the input circuit avoids flux-jumps due to an excessive current in the input circuit by a magnetic pulse. It is possible to operate the sensor in application like magnetorelaxometry without a separate magnetic sensor shield or field compensation. Integrated high fre-quency filters at the inputs are reducing radiofrequency interference. The behaviour of gradiometric SQUID sensors during the cool down in a magnetic field and the related sensor design rules are discussed in detail. An import result of this work is the behaviour of parallel gradiometers during the cool down in an external magnetic field. Different flux states are appearing after a cool down due to flux quantization. This results in a degraded characteristic in SQUID-arrays of parallel gradiometers. For a useful sensi-tivity a parallel gradiometer tolerates only external fields, which are much smaller than the Earths magnetic field. To this end the C2 sensor with a new concept consisting of a series array of serial gradiometers with a superconducting flux transformer is presented. The array of 16 SQUIDs allows unshielded cool-down and operation in the Earths magnetic field, due to a design based on small line widths. The flux transformer achieves a sufficient input sensitivity. The four sensor sizes of the C2 design with input inductances in a range of 62…1250 nH have a coupled energy resolution of 260 h at 4.2 K. These unique sensors are very attractive for a number of state of the art SQUID applica-tions, where a high sensitivity combined with a high robustness is required.
URI: urn:nbn:de:kobv:83-opus-21027
http://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/2370
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-2073
Exam Date: 26-Nov-2008
Issue Date: 16-Jan-2009
Date Available: 16-Jan-2009
DDC Class: 620 Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
Subject(s): Magnetorelaxometrie
SQUID
Stromsensor
Supraleitung
Currentsensor
Magnetorelaxometry
SQUID
Supraconductivity
Creative Commons License: https://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/2.0/
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