Die Empfindlichkeit und Funktionsweise eines SQUID-Messinstrumentes

Inhaltsverzeichnis

1 Einführung

2 Theorie
2.1 Supraleiter und E ekte im Magnetfeld

3 Aufbau

4 Funktionsprinzip rf-SQUID

5 Durchführung und Auswertung
5.1 Inbetriebnahme
5.2 Emp ndlichkeit des SQUID
5.3 Kalibrierung
5.4 Aufzug

6 Fazit

Abbildungsverzeichnis

1 SQUID

2 Dewar

3 Abschirmgehäuse

4 Inneres des Abschirmgehäuses mit Aluminium- und µ-Metallzylinder

5 Schlitten am Boden der Abschirmgehäuses mit gelber Leiterschleife

6 Schematischer Aufbau des SQUID-Versuchs

7 Elektrische Schaltung eines rf-SQUID [2]

8 rf-SQUID Funktionsweise

9 Dreiecksignal im Testmodus

10 Spannungsverlauf im Messmodus für verschiedene O sets

11 Fourier-Transformation des Rauschen aus Abbildung

12 Linearer Zusammenhang von Emp ndlichkeit und Widerstand bei 10mV

13 Spannungsänderung gegen magnetischen Fluss bei 20kO. m = 46,

14 Steigung der Geraden aus Seite 14 gegen die Widerstandsgröÿe

15 Fahrt des linken (links) und rechten (rechts) Aufzuges von Ebene 13 nach

Abstract (Kurzbeschreibung)

Es wurde die Emp ndlichkeit und Funktionsweise eines SQUID Messinstrumentes kennengelernt und untersucht. Nach erfolgreicher Kalibrierung wurde das magnetische Dipol- moment zweier räumlich nahe gelegener Aufzüge gemessen

Durchgeführt am: 24.2.2016 Protokollfertigstellung: 19. März

1 Einführung

Bei dem SQUID-Versuch handelt es sich um eine sehr genaue Magnetfeldmessung die in der Gröÿenordnung von bis zu einem Flussquant also einer Flussdichte in der Gröÿenordnung 10−[15]Vs liegt. Dies ist zum heutigen Zeitpunkt die genaueste Methode Magnetfelder zu messen. In diesem Versuch soll nun die Funktionsweise des SQUID verstanden und experimentell angewendet werden, indem zunächst eine Emp ndlichkeitsabschätzung und dann eine Kalibrierung durchgeführt wird. Abschlieÿend wird versucht das magnetische Dipolmoment von zwei räumlich nahegelegenen Aufzügen zu vermessen. Die Messung der Curie-Temperatur von Gadolinium war zum Versuchszeitpunkt nicht möglich.

2 Theorie

Im Folgenden wird die für den Versuch relevante Theorie, vor allem im Hinblick auf die Supraleitung dargestellt. Die Erklärung der magnetischen Gröÿen und der Beweis für die Flussquantisierung sind der Versuchsanleitung zu entnehmen. [1]

2.1 Supraleiter und E ekte im Magnetfeld

Supraleiter sind Materialien deren elektrischer Widerstand ab einer bestimmten Temperatur, der Sprungtemperatur gleich null ist, d.h. die Ladungsträger können sich verlustfrei bewegen. Man unterscheidet im allgemeinen zwischen zwei Arten von Supraleitern, genannt Typ I und Typ II. Die Supraleiter vom Typ I sind meist Tieftemperatursupraleiter, d.h. besitzen Sprungtemperaturen von wenigen Grad Kelvin. Bei diesen wird ein auÿen angelegtes Magnetfeld bis auf eine sehr geringe Grenzschicht vollständig aus dem Inneren verdrängt. Dies bezeichnet man als den sogenannten Meiÿner-Ochsenfeld-E ekt. Dies lässt sich dadurch erklären, dass durch das äuÿere Magnetfeld in dem Supraleiter sogenannte Supraströme in- duziert werden, welche ebenfalls ein Magnetfeld ausbilden, sodass dieses das äuÿe- re Magnetfeld im inneren des Supraleiters genau annuliert. Typisch für Supraleiter vom Typ I ist, dass sie ab einem bestimmten kritischen äuÿeren Magnetfeld selbst bei Temperaturen unterhalb der Sprungtemperatur normal-leitend werden. Die Supraleitung wird im allgemeinen durch die sogenannten Cooper-Paare erklärt. Dies sind Elektron-Elektron-Paare die keine Energieabgabe an das Kristallgit- ter haben, also widerstandsfrei zum Strom uss beitragen. Supraleiter vom Typ II verhalten sich analog zu den Supraleitern vom Typ I, wenn sich das äuÿere Magnetfeld unter einer unteren kritischen Stärke be ndet. Auÿerdem bricht die Supraleitung bei Supraleitern von Typ II ein, wenn sich das Magnetfeld über eine obere kritische Grenze erhebt. Charakteristisch für die Supraleiter vom Typ II ist jedoch der Zustand bei äuÿeren Magnetfeldern zwischen oberen und unterem kritischem Wert. Hier bricht die Supraleitung nicht zusammen, sondern die Ma- gnetfeldlinien können entgegen dem Meiÿner-Ochsenfeld-E ekt in den Supraleiter in sogenannten Flussschläuchen eindringen. Im Kern dieser Flussschläuche ist das Material nicht supraleitend, lässt aber das restliche Material im supraleitenden Zustand. Der magnetische Fluss durch die Flussschläuche ist hier immer gleich ei- nem Flussquant. Ein weiterer für diesen Versuch wichtiger E ekt mit Supraleitern ist der Josephson-E ekt. Dieser besagt, dass wenn Supraleiter durch eine nicht- supraleitende Schicht getrennt sind, dies nennt man auch Josephson-Kontakt, die Cooper-Paare durch diese tunneln können und sich die Gesamtanordnung wie ein Supraleiter verhält. Bei Supraleitern vom Typ II handelt es sich meist um Hochtemperatursupraleiter, welche eine Sprungtemperatur oberhalb von 70 Grad Kelvin besitzen, also mit üssigem Sticksto kühlbar sind.

3 Aufbau

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 1: SQUID

Die Fotos (sind alle [1] entnommen) der verwendeten Bauteile und Geräte sind in den Abbildung 1 bis 6 gezeigt. Das SQUID (Abbildung 1) wird in den Dewar (Abbildung 2), welcher mit LN2 gefüllt wird und zur thermischen Isolation dient,

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2: Dewar

eingesetzt. Der Dewar wiederum wird in das Abschirmgehäuse (Abbildung 3) eingebracht. Dieses besteht aus zwei Aluminiumzylindern sowie einem Zylinder aus µ- Metall. Das Innere des Gehäuses zeigt Abbildung 4. Die in Abbildung 3 am oberen Bildrand zusehende blaue Tonne wird zuletzt als zusätzliche Abschirmung über den Aufbau gestülpt. Auf dem Boden des Abschirmgehäuses be ndet sich ein Schlitten der herausgezogen werden kann. Er ist in Abbildung 5 zu sehen. Es ist dort eine gelbliche Leiterschleife zu erkennen, welche zusammen mit einer Präzisionsstromquelle zur Erzeugung eines Magnetfelds genutzt werden kann. [1] Der schematische Gesamtaufbau ist in Abbildung 6 zu sehen.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 3: Abschirmgehäuse

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Abbildung 4: Inneres des Abschirmgehäuses mit Aluminium- und µ- Metallzylinder.

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Abbildung 5: Schlitten am Boden der Abschirmgehäuses mit gelber Leiterschleife

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Abbildung 6: Schematischer Aufbau des SQUID-Versuchs

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