Investigations for low noise cooling by means of a pulse tube cooler for highly sensitive SQUID magnetometers from high temperature superconductors
Description
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 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
Abstract (German)
Die kommerzielle Einfuehrung bzw. Akzeptanz von supraleitenden Anwendungen ist eng verbunden mit der Verfuegbarkeit einer angemessenen Kaeltemaschine, welche einen kontinuierlichen Betrieb des Systems ermoeglicht, ohne Nachfuellintervalle von fluessigen Kryogen wie z.B. fluessigen Stickstoff oder fluessiges Helium. Zur Kuehlung von hochempfindlichen HT-SQUID Sensoren hat das Kuehlsysteme eine Reihe von strengen Anforderungen zu erfuellen, welche die vom Kuehlsystem ausgehenden Stoersignale betreffen. Insbesondere sollten die kuehlergenerierten Stoersignale wie z.B. elektromagnetische Interferenz (EMI), mechanische Vibrationen oder Temperaturfluktuationen unterhalb des intrinsischen Rauschniveaus des verwendeten SQUID oder z.B. Infrarotdetektors liegen. In dieser Arbeit wird der Aufbau und Test eines einstufigen Pulsrohrkuehlers vorgestellt. Der Kaltkopf des Systems wurde derart modifiziert, um die Restvibrationen und die entsprechenden elektromagnetischen Stoersignale weitestgehend zu reduzieren. Eine erste Verringerung der Stoersignale konnte erzielt werden durch die Verwendung von nicht remanent magnetischen Ti-Al-V Rohren anstelle von Edelstahlrohren fuer Pulsrohr und Regenerator. Eine weitere Reduzierung wurde erreicht, indem der Sensor auf einer separaten Kaltflaeche montiert wurde, welche mittels flexiblen, gut waermeleitenden Kupferlitzen mit der ersten Kaltflaeche verbunden war. Die zweite Kaltflaeche wurde ueber axial steife, schlecht waermeleitenden GFK-Konstruktionen am warmen Ende des Systems abgestuetzt. Die Verbleibende Amplitude der axialen Vibrationen auf der Kaltflaeche betrugen somit 0,5 μm im Vergleich zu 5,0 μm ohne mechanische Vibrationskompensation. Die erreichte Daempfung 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 ueber 100 Hz und 110 fT/[Wurzel]Hz bei 10 Hz gemessen. Fuer die diskreten Peaks, welche bei der Arbeitsfrequenz von 4,6 Hz und deren harmonischen entstehen, ermoeglicht die Vibrationskompensation eine Reduzierung der Stoersignale im Rauschspektrum des SQUID um einen Faktor 4. Dieses Rauschniveau ist niedrig genug fuer Anwendungen im Bereich der zerstoerungsfreien Materialpruefung. Fuer die Identifizierung des Ursprung der verbleibenden Stoerungen, muss man zusaetzlich zu den Restvibrationen evtl. vorhandene Temperaturoszillationen sowie oszillierende Felder von Wirbelstroemen am Ort des SQUID in betracht ziehenAdditional details
Additional titles
- Original title (German)
- Untersuchungen zur stoerarmen Pulsrohr-Kuehlung hochempfindlicher SQUID-Magnetometer zus Hochtemperatursupraleitern
Identifiers
Publishing Information
- Imprint Pagination
- 118 p.
INIS
- Country of Publication
- Germany
- Country of Input or Organization
- Germany
- INIS RN
- 33020894
- Subject category
- S75: CONDENSED MATTER PHYSICS, SUPERCONDUCTIVITY AND SUPERFLUIDITY;
- Resource subtype / Literary indicator
- Thesis, Non-conventional Literature
- Descriptors DEI
- BACKGROUND NOISE; COOLING; HIGH-TC SUPERCONDUCTORS; MAGNETOMETERS; MECHANICAL VIBRATIONS; PULSE TECHNIQUES; SQUID DEVICES
- Descriptors DEC
- ELECTRONIC EQUIPMENT; EQUIPMENT; FLUXMETERS; MEASURING INSTRUMENTS; MICROWAVE EQUIPMENT; NOISE; SUPERCONDUCTING DEVICES; SUPERCONDUCTORS; TYPE-II SUPERCONDUCTORS