Brevet FR2736158A1 — publié le 19970103

La présente invention se rapporte aux magnetométres qui utilisent l'effet Josephson pour mesurer des champs magnétiques de très faible intensité. De nombreuses techniques sont disponibles pour la mesure des champs faibles, les plus connues étant les fluxgates pour la mesure vectorielle du champ et la RMN pour la mesure scalaire, avec une sensibilité dans les deux cas de l'ordre de Dans le domaine des supraconducteurs, les capteurs à base de SQUID (Superconducting Quantum Interferometer Device) accèdent à des sensibilités élevées, de L'ordre de mais ne permettent malheureusement pas la mesure de la valeur absolue du champ géomagnétique. Ce sont des variomètres. Cette utilisation des effets supraconducteurs est connue sous le nom d'effet Josephson et elle est plus particulièrement décrite dans les Techniques de l'lngénieur, sous la fiche El 1725. Pour permettre d'effectuer une mesure absolue du champ magnétique, I'invention propose un magnétomètre à effet Josephson du type comprenant une jonction Josephson destinée à être immergée dans le champ à mesurer et des moyens pour mesurer le courant critique traversant cette jonction et pour déterminer la valeur du champ à partir de la valeur de ce courant, principalement caractérisé en ce que ladite jonction Josephson est unique et qu'il comprend en outre des moyens pour appliquer à cette jonction unique un champ magnétique de polarisation qui permet de polariser la jonction sur le lobe principal de la courbe de Fraunhofer caractéristique du courant critique de la jonction en fonction du champ magnétique qui lui est appliqué, ce qui permet d'obtenir une mesure absolue du champ magnétique à mesurer. Selon une autre caractéristique, les moyens pour polariser la jonction permettent de polariser celle-ci sensiblement au milieu de l'un des flancs du lobe principal de la courbe de Fraunhofer. Selon une autre caractéristique, le magnétomètre comprend en outre des moyens pour moduler le champ de polarisation appliqué à la jonction pour compenser au premier ordre les fluctuations du courant critique et le bruit en 11f de l'étage préamplificateur Selon une autre caractéristique, le magnétomètre comprend en outre des moyens pour modifier le champ de polarisation en contre réaction de manière à maintenir la polarisation au maximum de sensibilité du capteur. Selon une autre caractéristique, le magnétomètre comprend en outre un concentrateur de grandes dimensions par rapport à la jonction Josephson pour concentrer le champ magnétique à mesurer sur cette jonction. Selon une autre caractéristique, le concentrateur est formé de deux rectangles de matériau diamagnétique délimitant entre eux une fente au milieu de laquelle est placée la jonction Josephson. D'autres particularités et avantages de l'invention apparaîtront clairement dans la description suivante, faite à titre d'exemple non limitatif en regard des figures annexées qui représentent: - la figure 1, une vue schématique d'une jonction Josephson; - la figure 2, une courbe des courants critiques en fonction du flux appliqué, dite courbe de Fraunhofer; - la figure 3, une vue schématique d'une jonction Josephson munie d'un concentrateur; - la figure 4, un diagramme du niveau de bruit en fonction de la fréquence; et - la figure 5, un schéma de principe des organes électroniques associés à la sonde Josephson selon l'invention. Les jonctions Josephson sont définies par des paramètres physiques représentés sur la figure 1. La jonction 101 de largeur I est formée au point de contact de deux morceaux de film supraconducteur 102 et 103 de largeur W et d'épaisseur e. Cette largeur et cette épaisseur correspondent elles-mêmes à la largeur et à l'épaisseur de la jonction. Les jonctions Josephson possèdent une sensibilité intrinsèque au champ magnétique dont la direction est parallèle au plan de la jonction. Elle se manifeste par une modulation, par un champ magnétique, du super courant maximal (appelé courant critique par abus de langage par la suite) traversant la jonction. Pour des jonctions courtes (w(4kj= longueur Josephson), la variation du courant critique en fonction du champ appliqué est définie par: avec +0 = B* w* : profondeur de pénétration et fo flux concernant la première annulation du courant critique (quantum de flux). Cette variation du courant critique en fonction du flux appliqué est représentée sur la figure 2 par une courbe dite de Fraunhofer où les échelles sont normées par rapport au quantum de flux et au courant critique maximal. Dans le cas d'une jonction simple, la première annulation du courant critique, comme on le voit sur la figure 2, se fait pour un champ B0 défini par: avec T: température de la jonction Afin d'obtenir une mesure absolue de la composante parallèle au plan de la jonction, du champ magnétique dans lequel est plongé cette jonction unique, I'invention propose de polariser ladite jonction en la plaçant dans un champ magnétique de polarisation dont la composante parallèle au plan de jonction présente une valeur voisine de la moitié de Bo. Ce point de fonctionnement A est donc situé à mi distance sur le flanc du lobe principal de la courbe de Fraunhofer et il correspond à un courant critique égal à la moitié du courant critique maximal. Au voisinage de ce point de fonctionnement, la réponse en champ de la jonction est linéaire au 1er ordre: La sensibilité peut alors être estimée par: avec T: température de la jonction. Si la mesure obtenue de cette manière est absolue, ce qui est un gros avantage par rapport aux dispositifs du type SQUID connus, elle est néanmoins relativement faible par rapport à ces mêmes dispositifs, en particulier parce que ceux-ci sont généralement associés à des organes du type transformateur de flux. Pour obtenir alors simultanément une mesure absolue et une sensibilité importante, I'invention propose en outre d'adjoindre à la jonction Josephson unique utilisée avec ce champ de polarisation un concentrateur de flux dont la structure est semblable à celle représentée sur la figure 3. Ce concentrateur est formé de deux plaquettes 302 et 303 en matériau diamagnétique, qui déterminent entre eux une fente 304 à l'intérieur de laquelle est placée la jonction Josephson 301, sensiblement au centre de cette fente et réunissant les deux plaquettes entre elles. La dimension la plus importante de ce dispositif est la longueur D des plaquettes, correspondant à la longueur de la fente 304. La largeur des plaquettes elle-même n'est pas très importante, pourvu qu'elle soit du même ordre de grandeur que D. Dans la pratique on a utilisé pour les réalisations une largeur égale à la longueur, I'ensemble du concentrateur étant alors carré. L'adjonction de ce concentrateur permet d'augmenter la sensibilité de la jonction en réduisant la valeur du champ Bg par un facteur de concentration k qui est défini par: La sensibilité de la jonction avec concentrateur vaut alors: Des considérations théoriques tendent à montrer que le facteur de concentration évolue en fonction de la racine carrée de la surface pour des petites dimensions et en puissance 1/3 pour des dimensions importantes. Dans différentes réalisations pratiques, on a associé des jonctions Josephson HTc sur bicristal connues avec des concentrateurs de tailles diverses. Ainsi pour une largeur D = 630 pm, on a obtenu un facteur de renforcement de l'ordre de 60 à 100. Les sensibilités correspondantes étaient d'environ 60 Ampères/Tesla et 23 VoltsTTesla, selon le type de polarisation du capteur. En utilisant par contre un concentrateur de largeur D= 5mm, on a pu multiplier par 4 ces sensibilités, ce qui tend à confirmer l'hypothèse théorique concernant l'évolution en puissance 113 pour les dimensions importantes du concentrateur. Un facteur important qui vient à limiter la sensibilité d'un tel dispositif est le niveau de bruit provenant de différents facteurs. La première source de bruit est le bruit blanc provenant de la jonction Josephson elle-même. Compte tenu des données actuellement disponibles sur les propriétés des films d'YBaCuO et des jonctions Josephson sur bicristal obtenues dans les meilleures conditions possibles, les caractéristiques espérées, pour une jonction Josephson de largeur Spm sur un bicristal 24", sont: - un courant critique lc de I mA à 77K - une résistance normale de 0.5Q - une résistance dynamique de lfl Avec un concentrateur de 630pm, une sensibilité de l'ordre de 100A/T est alors réaliste.Le bruit étant supposé dominé par le bruit de la jonction Josephson, avec Ip : courant de polarisation, kB : constante de Boltzmann et Rn résistance normale. I'amplificateur étant supposé parfait, pour un courant de polarisation de l'ordre du courant critique, le niveau de bruit blanc serait de l'ordre de En augmentant le concentrateur jusqu'à 8mm et en jouant sur la largeur de la fente, un niveau de bruit blanc inférieur à 0.2pT/4Hz peut être atteint. La deuxième source importante de bruit est un bruit basse fréquence provenant des fluctuations du courant critique de la jonction, que des considérations théoriques permettent de définir par la formule: Sv (f) = Y VdC XNcf (8) avec Vdc: tension de polarisation Nc: nombre de porteurs f: fréquence y: facteur caractéristique du système mesuré Pour un niveau de bruit de (équivalent à une densité spectrale de la fréquence corner fc pour laquelle ce bruit devient asymptotique, comme représenté sur la figure 4, apparaît d'après (8) à 0.1Hz. Cependant la qualité de la couche et l'instabilité de la température peuvent accroître le niveau de bruit en 1/f. Un moyen de compenser au premier ordre les fluctuations de ce courant critique, et donc le bruit en 11f de l'étage préamplificateur, consiste à moduler le champ de polarisation appliqué au dispositif en faisant varier celui-ci entre le point A défini sur la figure 2 et un point B symétrique de ce point A sur le premier lobe de la courbe. Cette technique de modulation a permis dans l'exemple cité cidessus au delà de quelques KHz pour le concentrateur de 630pm) de réduire le seuil de bruit excédentaire basse fréquence en dessous de 100Hz. De plus la mise en oeuvre d'une contre réaction en champ magnétique permet la stabilisation du point de repos du capteur au voisinage de son maximum de sensibilité, c'est à dire B=0 à quelques pT près. La dynamique d'un tel système est supérieure à 120dB. Enfin, en modulant à une fréquence suffisamment élevée (100KHz), la bande passante peut s'étendre du continu à 10KHz. L'ensemble du dispositif de mesure peut être réalisé de la manière présentée sur la figure 5. La sonde comprenant la jonction Josephson et son concentrateur est représentée par le carré 701 auquel est appliqué un champ magnétique" B extérieur" à mesurer. Le signal mesuré sur la jonction est appliqué à un amplificateur 702 dont la sortie est réunie à un démodulateur synchrone 703. Un oscillateur 704 permet d'obtenir la fréquence de modulation, qui est d'une part appliquée au démodulateur synchrone 703 et d'autre part à un générateur de champ magnétique 705, lequel délivre un champ "B modulation" qui est appliqué à la sonde 701. Le signal en sortie du démodulateur synchrone 703 est lui-même appliqué à un filtre 704 qui permet d'obtenir une composante continue qui correspond à la mesure cherchée du champ "B mesuré". La sortie du filtre est en outre connectée à un générateur de champ magnétique "B contre- réaction" 707 qui est appliqué à la sonde 701. Le réglage au repos de ce générateur permet d'obtenir le champ de polarisation nécessaire à polariser la sonde sur le point A de la courbe de Fraunhofer. Par ailleurs l'action du signal de mesure permet de modifier la valeur de ce champ de polarisation en fonction du champ extérieur mesuré, pour ramener le champ total au niveau de la sonde à la valeur correspondant au point A de la courbe, pour laquelle la sensibilité est maximale. REVENDICATIONS 1- Magnétomètre à effet Josephson, du type comprenant une jonction Josephson destinée à être immergée dans le champ à mesurer et des moyens pour mesurer le courant critique traversant cette jonction et pour déterminer la valeur du champ à partir de la valeur de ce courant, caractérisé en ce que ladite jonction Josephson (101) est unique et qu'il comprend en outre des moyens (707) pour appliquer à cette jonction unique un champ magnétique de polarisation qui permet de polariser la jonction sur le lobe principal de la courbe de Fraunhofer caractéristique du courant critique de la jonction en fonction du champ magnétique qui lui est appliqué, ce qui permet d'obtenir une mesure absolue du champ magnétique à mesurer. 2 - Magnétomètre selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens (707) pour polariser la jonction (101) permettent de polariser celle-ci sensiblement au milieu (A) de l'un des flancs du lobe principal de la courbe de Fraunhofer. 3 - Magnétomètre selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'il comprend en outre des moyens (703-705) pour moduler le champ de polarisation appliqué à la jonction (101) pour compenser au premier ordre les fluctuations du courant critique et le bruit en 11f de l'étage préamplificateur (703). 4 - Magnétomètre selon l'une quelconque des revendications 2 et 3, caractérisé en ce qu'il comprend en outre des moyens (706,707) pour modifier le champ de polarisation en contre-réaction de manière à maintenir la polarisation au maximum de sensibilité du capteur. 5 - Magnétomètre selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'il comprend en outre un concentrateur (302,303) de grandes dimensions par rapport à la jonction Josephson pour concentrer le champ magnétique à mesurer sur cette jonction (301). 6 - Magnétomètre selon la revendication 5, caractérisé en ce que le concentrateur est formé de deux rectangles (302,303) de matériau diamagnétique délimitant entre eux une fente (304) au milieu de laquelle est placée la jonction Josephson (301).