Entwicklung eines Messsystems zur Charakterisierung magnetisch geschirmter Umgebungen

Voigt, Jens GND

A number of experiments in fundaments in fundamental physics, such as the search of the electric dipole moments in atoms and particles, are limited by the uncertainty contributed from the magnetic properties of the environment. Hence, these magnetic properties have to be characterized carefully to allow further optimizations of the experiment. Sensors for such magnetic characterizations are typically limited by the magnetic noise, the frequency bandwidth, the absolute magnetic accuracy for flux densities below 1 nT and the dimensions of the measurements system. This theses deals with the development, characterization and application of a new, compact and mobile multi-channel measurement system called Cube-II with performance suitable for characterizing the magnetic properties of magnetically shielded rooms. The Cube-II-system is based on 16 individual low temperature superconducting quantum interference devices (SQUIDs) inside a nonmagnetic cylindrical dewar with 30 cm in diameter and 31 cm in height. With this dewar, a measurement time of up to 20 hours is reached. During this time, a white noise level of less than 6 fT/sqrt(Hz) was achieved for all 16 SQUID magnetometers in a frequency range of 1 Hz to above 15 kHz. Below 1 Hz, the magnetic flux noise increases up to 5 pT/sqrt(Hz) below 1 mHz. One special feature of the Cube-II-system, compared to typical multichannel SQUID-systems, is the possibility to estimate simultaneously the three vector and nine gradient components of the absolute magnetic flux density inside magnetic shielded rooms. Due to the high accuracy of the mechanical parts of the measurement setup, the three vector components of the residual magnetic field inside the heavily magnetic shielded room BMSR-2 were estimated with an expanded uncertainty of plus minus 8 pT for Bx and By and plus minus 23 pT for Bz. By using a new arrangement of the SQUIDs on the surface of a cube, two methods can be used to estimate the nine components of the magnetic field gradient. By using the first and well known method (shift method) to shift the Cube-II along the X-, Y- and the Z-axes of the magnetic shielded room, an expanded uncertainty for this method of below plus minus 2 pT/cm were achieved. For the second method (intrinsic method) the new arrangements of at least 12 SQUIDs were used to estimate the nine components with an expanded uncertainty of less than plus minus 11pT/cm.

Die Nachweisgrenze einiger Experimente, wie beispielsweise bei physikalischen Grundlagenexperimenten zur Suche nach einem elektrischen Dipolmoment in Atomen und Partikeln, ist durch das Messunsicherheitsbudegt limitiert. Ein Beriech in einem solchen Messunsicherheitsbudegt ergibt sich aus den magnetischen Eigenschaften der Umgebung des jeweiligen Experimentes. Daher müssen diese Eigenschaften mit der nötigen Unsicherheit bestimmt werden. Derzeit sind solche Messungen durch die eingesetzten magnetischen Sensoren limitiert. Diese Limitierung bezieht sich auf das magnetische Eigenrauschen, die Bandbreite, die Größe des jeweiligen Sensors oder die Unsicherheit, mit der die absolute magnetische Flussdichte unterhalb von 1 nT bestimmt werden kann. Innerhalb dieser Dissertation wurde ein neues kompaktes und mobiles magnetisches Messsystem entwickelt. Weiterhin wurde das als Cube-II bezeichnete Messsystem auf dessen mechanische und magnetische Eigenschaften hin charakterisiert. Das Messsystem basiert auf 16 individuelle niedrigtemperatur supraleitende Quanteninterferometer (SQUIDs) innerhalb eines unmagnetischen zylindrischen Dewar mit einem Durchmesser von 30 cm und einer Höhe von 31 cm. Mit diesem Dewar konnte eine Messzeit von bis zu 20 Stunden erreicht werden. Während dieser Zeit weisen alle 16 SQUIDs ein weißes magnetisches Flussdichterauschen von kleiner gleich 6 fT/sqrt(Hz) in einem Frequenzbereich von 1 Hz bis größer gleich 15 kHz auf. Unterhalb von 1 Hz steigt das magnetische Flussdichterauschen auf bis zu 5 pT/sqrt(Hz) bei 1 mHz an. Im Gegensatz zu vergleichbaren Multikanal-SQUID-Systemen ist es mit dem Cube-II-System möglich, innerhalb magnetisch geschirmten Umgebungen die drei Vektor- und neun Gradientenkomponenten der absoluten magnetischen Flussdichte simultan zu bestimmen. Durch die hohe Präzision der mechanischen Komponenten des Cube-II-Systems, konnten die drei Vektorkomponenten des statischen Restfeldes innerhalb des magnetisch geschirmten Raumes BMSR-2 mit einer erweiterten Messunsicherheit von plus minus 8 pT für Bx und By, sowie plus minus 23 pT für Bz bestimmt werden. Durch eine neue Anordnung der SQUID-Sensoren auf den sechs Flächen eines Würfels konnten zwei unterschiedliche Methoden zur Bestimmung der neun Gradientenkomponenten der magnetischen Flussdichte genutzt werden. Bei der ersten Methode (Verschiebung) wird das Cube-II-System sukzessive entlang der X-, Y- und Z-Achse des magnetisch geschirmten Raumes verschoben und die Änderung der magnetischen Flussdichte auf die verschobene Strecke normiert. Innerhalb des BMSR-2 konnten mit dieser Methode die Gradientenkomponenten mit einer erweiterten Messunsicherheit von kleiner gleich plus minus 2 pT/cm bestimmt werden. Bei der zweiten Methode (intrinsisch) wird die neue Verteilung der SQUID-Sensoren über die Würfelflächen genutzt um die neun Gradientenkomponenten zu bestimmen. Mit diese Methode konnten innerhalb des BMSR-2 die Komponenten mit einer erweiterten Messunsicherheit von kleiner gleich plus minus 11 pT/cm bestimmt werden.

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Voigt, Jens: Entwicklung eines Messsystems zur Charakterisierung magnetisch geschirmter Umgebungen. 2015.

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