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Extrem schnelle SQUID-Elektronik

In der PTB werden hochempfindliche SQUIDs für die verschiedensten messtechnischen Anwendungen entwickelt. Die jüngste Entwicklung, eine gekühlte SQUID-Elektronik, erlaubt jetzt den Aufbau extrem schneller SQUID-Messsysteme.

Gemittelte Kleinsignal-Sprungantwort der bei 4,2 K betriebenen SQUID-Elektronik. Die blaue Kurve zeigt den angelegten magnetischen Fluss, der sich praktisch sprunghaft ändert; die rote Kurve stellt das Ausgangssignal des Systems dar. Mit der hohen Kleinsignal-Bandbreite von 350 MHz wird die kurze Anstiegszeit des Ausgangssignals von nur 1,3 ns erreicht.

SQUIDs (Superconducting QUantum Interference Devices) werden üblicherweise zur empfindlichen Messung kleiner magnetischer Felder verwendet, lassen sich aber auch sehr gut für die Messung kleinster Ströme einsetzen. So werden sie z. B. in medizinischen Diagnostiksystemen zur Detektion der magnetischen Signale des Herzens oder des Gehirns verwendet oder als Vorverstärker für bestimmte Typen von Strahlungsdetektoren wie Mikrokalorimeter eingesetzt, die wie die SQUIDs selbst bei tiefen Temperaturen betrieben werden. Neben dem SQUID-Chip, der supraleitenden integrierten Sensorschaltung, die in der Regel mit flüssigem Helium gekühlt wird, benötigt man eine Ausleseelektronik, die das SQUID-Ausgangssignal rauscharm verstärkt und als magnetischen Fluss wieder in das SQUID „gegenkoppelt“, so dass die periodische Fluss-Spannungskennlinie des SQUIDs linearisiert wird. Damit wird der Dynamikbereich des SQUIDs, der sonst nur Bruchteile eines magnetischen Flussquants beträgt, auf die für typische Anwendungen benötigten 10 bis 100 Flussquanten erweitert. Die so aufgebaute Flussregelschleife (englisch flux-locked loop, FLL) bestimmt die Bandbreite des Sensorsystems. Mit moderner kommerzieller FLL-Elektronik konnten bisher Bandbreiten bis 20 MHz in geschlossener Regelschleife erreicht werden. Die Bandbreitenbegrenzung resultiert dabei aus der Signallaufzeit auf den Verbindungsleitungen zwischen dem SQUID-Chip, das sich im Heliumbad eines Kryostaten befindet, und der Elektronikeinheit, die üblicherweise entfernt auf dem Kryostatendeckel montiert ist. Deutlich reduzierte Leitungslängen und damit höhere Bandbreiten kann man erzielen, wenn auch die FLL-Elektronik in unmittelbarer Nähe des SQUID-Chips im flüssigen Helium betrieben wird. Das bedeutet aber, dass die Elektronik für eine Temperatur von 4,2 K ausgelegt werden muss, was erheblichen Aufwand bei der Schaltungsentwicklung mit sich bringt.

In der PTB wurde jetzt eine mit Flüssighelium gekühlte FLL-Schaltung entwickelt, die beim Betrieb mit einem PTB-SQUID-Sensorchip eine Systembandbreite von 350 MHz erreichte und neue Perspektiven für spezielle Anwendungen eröffnet, z. B. bei der Signalverstärkung von supraleitenden Hot-Spot-Photonenzählern. Auch die neue Elektronik soll Anwendern kommerziell zugänglich gemacht werden.

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