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Bitte beziehen Sie sich beim Zitieren dieses Dokumentes immer auf folgende
URN: urn:nbn:de:hebis:26-opus-4691
URL: http://geb.uni-giessen.de/geb/volltexte/2001/469/


Untersuchungen zur störarmen Pulsrohr-Kühlung hochempfindlicher SQUID-Magnetometer aus Hochtemperatursupraleitern

Investigations for low noise cooling by means of a pulse tube cooler for highly sensitive SQUID magnetometers from high-temperature superconductor

Lienerth, Christian


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Freie Schlagwörter (Deutsch): Pulsrohr-Kühlung , SQUID-Magnetometer , Hochtemperatursupraleiter
Universität Justus-Liebig-Universität Gießen
Institut: Institut für Angewandte Physik
Fachgebiet: Physik
DDC-Sachgruppe: Physik
Dokumentart: Dissertation
Sprache: Deutsch
Tag der mündlichen Prüfung: 13.06.2001
Erstellungsjahr: 2001
Publikationsdatum: 24.07.2001
Kurzfassung auf Deutsch: Die kommerzielle Einführung bzw. Akzeptanz von supraleitenden Anwendungen ist eng verbunden mit der Verfügbarkeit einer
angemessenen Kältemaschine, welche einen kontinuierlichen Betrieb des Systems ermöglicht, ohne Nachfüllintervalle von flüssigen
Kryogen wie z.B. flüssigen Stickstoff oder flüssiges Helium. Zur Kühlung von hochempfindlichen HT-SQUID Sensoren hat das Kühlsysteme
eine Reihe von strengen Anforderungen zu erfüllen, welche die vom Kühlsystem ausgehenden Störsignale betreffen. Insbesondere sollten
die kühlergenerierten Störsignale wie z.B. elektromagnetische Interferenz (EMI), mechanische Vibrationen oder Temperaturfluktuationen
unterhalb des intrinsischen Rauschniveaus des verwendeten SQUID oder z.B. Infrarotdetektors liegen.


In früheren Arbeiten konnte gezeigt werden, dass der Joule-Thomson Kühler (JTK) und der Pulsrohrkühler (PRK) zwei attraktive Kandidaten
für die störarme Kühlung und den kontinuierlichen Betrieb von HT-SQUID aufgrund ihrer geringen mechanischen Vibrationen der Kaltfläche
sind. Die Vibrationen des Kaltkopfes und die EMI vom Kompressor (für JTK und PRK) sowie die vom Drehventil (für PRK) können durch
räumliche Trennung des Kaltteils mittels flexiblen Verbindungsleitungen weitestgehend reduziert werden. Außerdem ist die Integration und
die korrekte Justage des SQUID-Sensors zum Kühlsystem besonders wichtig. Die EMI werden hervorgerufen durch sich zeitlich
verändernde magnetische Felder in der Nähe des SQUID oder durch die Bewegung des SQUID in einem inhomogenen Magnetfeld.
Durchgeführte Messungen des Feldrauschens mittels eines empfindlichen HT-SQUID Magnetometer, welches direkt auf der Kaltfläche
eines PRK montiert war, zeigten Störsignale, welche eindeutig durch Korrelationsmessungen mittels eines Beschleunigungssensors auf
die Vibrationen der Kaltfläche zurückgeführt werden konnten. Diese Vibrationen haben ihren Ursprung in der elastischen Deformation von
Pulsrohr, Regenerator und Kaltfläche aufgrund der wechselnden Druckbelastung durch die applizierte Druckwellenform innerhalb des
Systems.


In dieser Arbeit wird der Aufbau und Test eines einstufigen Pulsrohrkühlers vorgestellt. Der Kaltkopf des Systems wurde derart modifiziert,
um die Restvibrationen und die entsprechenden elektromagnetischen Störsignale weitestgehend zu reduzieren. Eine erste Verringerung
der Störsignale konnte erzielt werden durch die Verwendung von nicht remanent magnetischen Ti-Al-V Rohren anstelle von Edelstahlrohren
für Pulsrohr und Regenerator. Eine weitere Reduzierung wurde erreicht, indem der Sensor auf einer separaten Kaltfläche montiert wurde,
welche mittels flexiblen, gut wärmeleitenden Kupferlitzen mit der ersten Kaltfläche verbunden war. Die zweite Kaltfläche wurde über axial
steife, schlecht wärmeleitenden GFK-Konstruktionen am warmen Ende des Systems abgestützt. Die Verbleibende Amplitude der axialen
Vibrationen auf der Kaltfläche betrugen somit 0,5 µm im Vergleich zu 5,0 µm ohne mechanische Vibrationskompensation. Die erreichte
Dämpfung der Vibrationen wurde mittels eines empfindlichen Beschleunigungssensors in drei aufeinander senkrecht stehenden
Raumrichtungen sowie mittels Rauschmessungen eines empfindlichen HT-SQUID Magnetometers mit koplanarem Resonator in einer
4-fach geschirmten µ-Metall Abschirmung charakterisiert. Es wurde ein intrinsisches Rauschen von 45 fT/[Wurzel]Hz bei Frequenzen über
100 Hz und 110 fT/[Wurzel]Hz bei 10 Hz gemessen. Für die diskreten Peaks, welche bei der Arbeitsfrequenz von 4,6 Hz und deren
harmonischen entstehen, ermöglicht die Vibrationskompensation eine Reduzierung der Störsignale im Rauschspektrum des SQUID um
einen Faktor 4. Dieses Rauschniveau ist niedrig genug für Anwendungen im Bereich der zerstörungsfreien Materialprüfung. Für die
Identifizierung des Ursprung der verbleibenden Störungen, muss man zusätzlich zu den Restvibrationen evtl. vorhandene
Temperaturoszillationen sowie oszillierende Felder von Wirbelströmen am Ort des SQUID in betracht ziehen.
Kurzfassung auf Englisch: The commercial acceptance of superconducting applications is closely associated with the availability of appropriate cryocoolers that
enable continuous operation without the need to re-fill liquid cryogens. For cooling of highly-sensitive HT-SQUID sensors the cryocooler has
to meet rather severe demands concerning interference from the cooler itself. In particular, cooler-generated noise from electromagnetic
interference (EMI), mechanical vibrations and temperature fluctuations should be below the intrinsic noise level of the SQUID.


In earlier work it was shown that Joule-Thomson- (JTC) and pulse tube coolers (PTC) are attractive candidates for low noise HT-SQUID
operation because of the intrinsic low level of mechanical vibrations of the cold heads. Vibrations and EMI from compressor (for JTC and
PTC) and rotary valve (for PTC) can be greatly reduced by spatial separation of the cold head using flexible connecting lines with lengths of
several meters or employing other suitable arrangements. Furthermore, integration and the correct adjustment of the SQUID sensor to the
cooling system is important. EMI can be caused by time-varying magnetic fields in the proximity of the SQUID, or by movement of the
SQUID in an ambient magnetic field gradient. Recently, field noise measurement by use of a highly sensitive HT-SQUID, directly mounted
on the cold tip of a PTC, revealed interference that could be clearly related to vibrations of the cold tip. These vibrations originate from
pressure wave-induced elastic deformation of pulse tube and regenerator tube in the cold head.


In this work is presented the design and test of a PTC cold head that was modified in order to reduce the residual vibrations and thus the
corresponding interference. A first additional noise reduction for the PTC was achieved by using Ti-V-Al tubes instead of stainless steel for
the regenerator and pulse tube. Further reduction was obtained by mounting the sensor on a separate platform that was thermally
connected to the cold tip by use of a flexible copper link. The remaining amplitude of axial vibrations at the cold platform was measured to
be about 0.5 µm as compared to 5.0 µm without vibration compensation. The achieved level of vibration compensation is characterized by
acceleration measurements in combination with field noise measurements by use of a sensitive rf HT-SQUID magnetometer with coplanar
resonator in a four-layer µ-metal shielding. There were measured an intrinsic noise of 45 fT/[Root]Hz at frequencies above 100 Hz and
110fT/[Root]Hz at 10 Hz. For the discret peaks at the working frequency the vibration compensation is capable of reducing the
cooler-generated peaks in the field noise spectrum by a factor of the order of 4. This noise level is low enough for applications such as
nondestructive evaluation of materials. For identifying the origin of the remaining disturbances, one has to consider in addition to the
residual vibrations also temperature oscillations and oscillating fields from eddy current at the SQUID location.