Es handelt sich um das Protokoll zum Versuch "SQUID" aus dem fortgeschrittenen Praktikum für Physiker. Im Versuch wurde die Empfindlichkeit und Funktionsweise eines SQUID (Superconducting Quantum Interference Device) Messinstrumentes untersucht. Nach erfolgreicher Kalibrierung wurde das magnetische Dipolmoment zweier räumlich nahe gelegener Aufzüge gemessen.
Inhaltsverzeichnis
1 Einführung
2 Theorie
2.1 Supraleiter und Effekte im Magnetfeld
3 Aufbau
4 Funktionsprinzip rf-SQUID
5 Durchführung und Auswertung
5.1 Inbetriebnahme
5.2 Empfindlichkeit des SQUID
5.3 Kalibrierung
5.4 Aufzug
6 Fazit
Zielsetzung & Themen
Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Inbetriebnahme und der experimentellen Untersuchung eines rf-SQUID (Superconducting Quantum Interference Device) zur hochpräzisen Magnetfeldmessung. Ziel ist es, die Funktionsweise des SQUID zu verstehen, dessen Empfindlichkeit zu bestimmen und das Gerät für die Messung des magnetischen Dipolmoments von räumlich nahegelegenen Objekten, speziell eines Aufzugs, zu kalibrieren.
- Grundlagen der Supraleitung und des Josephson-Effekts
- Aufbau und technische Implementierung eines rf-SQUID-Versuchs
- Analyse der Funktionsweise und Messung von Flussquanten
- Kalibrierung des Messinstruments und Untersuchung von Störeinflüssen (Rauschen)
- Anwendung zur Bestimmung magnetischer Dipolmomente im Alltag
Auszug aus dem Buch
Funktionsprinzip rf-SQUID
In dem Versuch wird ein rf-SQUID verwendet. Ein rf-SQUID besteht aus einem supraleitenden Leiterring der an einer Stelle durch einen Josephson-Kontakt unterbrochen ist. Nun ist dieser Leiterring wie in Abbildung 7 zu sehen induktiv mit einem Tankschwingkreis gekoppelt. Über diesen wird zum einen durch Wechselstrom der Frequenz von 1 GHz ein Wechselfluss im SQUID erzeugt, zum anderen über die Größe UMess das Messsignal gewonnen. Der Leiterring wurde bei der Herstellung genau so dimensioniert, dass er seinen kritischen Strom erreicht, nachdem er genau 1 Flussquant kompensiert hat. Die Kompensation geschieht, da in dem Ring nur eine ganze Anzahl von Flussquanten vorliegen dürfen. Dies erfolgt durch den Suprastrom. Nun wird der Messprozess eines SQUID betrachtet. Hier gibt es grundsätzlich 2 Extremfälle zwischen denen alle möglichen Zustände liegen.
Zusammenfassung der Kapitel
1 Einführung: Hinführung zum Thema Magnetfeldmessung mittels SQUID und Definition der experimentellen Zielsetzung.
2 Theorie: Erläuterung der physikalischen Grundlagen der Supraleitung, insbesondere des Meißner-Ochsenfeld-Effekts und des Josephson-Effekts.
3 Aufbau: Detaillierte Beschreibung der verwendeten Hardware, inklusive des Dewars, des Abschirmgehäuses und der Anordnung der Messinstrumente.
4 Funktionsprinzip rf-SQUID: Mathematische und physikalische Beschreibung der induktiven Kopplung und der Signalentstehung im rf-SQUID.
5 Durchführung und Auswertung: Dokumentation der Inbetriebnahme, der Kalibrierung, der Rauschanalyse und der praktischen Anwendung bei der Vermessung eines Aufzug-Dipolmoments.
6 Fazit: Zusammenfassende Bewertung der erfolgreichen Inbetriebnahme und Kalibrierung sowie Reflexion über die erzielten Messergebnisse.
Schlüsselwörter
SQUID, rf-SQUID, Supraleitung, Magnetfeldmessung, Flussquant, Josephson-Kontakt, Meißner-Ochsenfeld-Effekt, Dipolmoment, Kalibrierung, Rauschspektrum, Schwingkreis, Suprastrom, Magnetismus, Messtechnik, Tieftemperaturphysik.
Häufig gestellte Fragen
Was ist das Hauptziel dieser wissenschaftlichen Arbeit?
Das primäre Ziel ist die Inbetriebnahme eines SQUID-Messinstruments, die Durchführung einer Empfindlichkeitsanalyse und die experimentelle Bestimmung des magnetischen Dipolmoments eines Aufzugs.
Welche physikalischen Effekte spielen eine zentrale Rolle?
Die Arbeit basiert maßgeblich auf dem Verständnis der Supraleitung, dem Meißner-Ochsenfeld-Effekt, dem Josephson-Effekt sowie der Quantisierung des magnetischen Flusses.
Wie wird das SQUID in diesem Aufbau betrieben?
Das SQUID ist induktiv an einen Tankschwingkreis gekoppelt, der mit einem Hochfrequenz-Wechselstrom (1 GHz) gespeist wird, um Messsignale über die induzierte Spannung zu gewinnen.
Welche Methode wird zur Kalibrierung verwendet?
Die Kalibrierung erfolgt durch die Korrelation der gemessenen Spannungsänderungen mit bekannten Widerstandswerten und magnetischen Flüssen, um eine lineare Übertragungsfunktion zu bestimmen.
Was wird im Hauptteil der Untersuchung behandelt?
Der Hauptteil umfasst den apparativen Aufbau, die theoretische Herleitung der Funktionsweise, die Inbetriebnahme unter Rauschminimierung sowie die praktische Anwendung zur Vermessung externer magnetischer Objekte.
Welche Schlüsselbegriffe definieren diese Arbeit?
Die zentralen Konzepte sind Supraleitung, Flussquanten, rf-SQUID, Josephson-Kontakt, Magnetfeldgradienten und Messsignal-Analyse.
Warum konnte die Curie-Temperatur nicht bestimmt werden?
Die Bestimmung der Curie-Temperatur von Gadolinium war zum Zeitpunkt des Versuchs aufgrund technischer oder zeitlicher Beschränkungen im Labor nicht realisierbar.
Wie wurde das magnetische Dipolmoment des Aufzugs berechnet?
Unter der Annahme eines Dipolmodells wurde das Dipolmoment aus der gemessenen Änderung des Magnetfeldes in Abhängigkeit vom Abstand zwischen SQUID und Aufzug hergeleitet.
- Quote paper
- Marvin Kemper (Author), Tim Spürkel (Author), 2016, Die Empfindlichkeit und Funktionsweise eines SQUID-Messinstrumentes, Munich, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/344762
