DE19546670C2 - Mobiles SQUID-System - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein mobiles SQUID-System, beste­ hend aus einer Anordnung von Supraleitenden Quanten In­ terferenz Detektoren (SQUID) aus Hochtemperatur-Supra­ leiter (HTSL)-Material, geschaltet als höchstempfind­ licher Magnetfeldsensor, einem lageunabhängigen Kühl­ system für den Sensor unter Verwendung von flüssigem Stickstoff als Kühlmittel und Metallstrukturen als Käl­ tebrücke und einer Wirbelstromanregung sowie einer über elektrische Leitungen verbundenen Steuer- und Auswerte­ elektronik zur SQUID-Regelung und Wirbelstrommessung.

Die zerstörungsfreie Werkstoffprüfung metallischer Kon­ struktionen komplizierter Struktur, wie sie in Flugzeu­ gen, Spannstahl-Bauwerken, Kraftwerken und in vielen anderen Bereichen vorkommen, ist ein fundamentales Problem der heutigen Sicherheitstechnik, da ein Versa­ gen von Bauteilen durch Materialfehler oder -ermüdung fatale Konsequenzen haben kann. SQUID-Systeme als höchstempfindliche Magnetfeldsensoren zur zerstörungs­ freien Materialprüfung sind den Druckschriften EP 0 634 663 A1 und Patent abstracts of Japan, P-1776, July 26, 1994, Vol. 18, No. 399, JP 6-118151 (A) zu ent­ nehmen. In Zusammenhang mit der Wirbelstrom-Prüftechnik wird die Verwendung eines SQUID-Sensors zur zerstörungsfreien Materialprüfung in der Europäischen Patentschrift EP 0 787 293 B1 beschrieben.

In der HTSL-SQUID-Meßtechnik ist es üblich, die SQUID- Sensoren in mit flüssigem Stickstoff gefüllten Badkryo­ staten zu betreiben. Die Abtastung nach Materialfehlern erfolgt bei solchen Messungen durch Bewegen der Testob­ jekte unter dem stationären SQUID-Sensor. In den meis­ ten realen Prüfsituationen ist es jedoch unumgänglich, den SQUID-Sensor zu bewegen, da die Prüfobjekte unbe­ weglich sind. Badkryostate sind dazu ungeeignet, man benötigt lageunabhängige Sensor-Kühlsysteme. Der HTSL- SQUID-Sensor wird hierbei nicht von flüssigem Stick­ stoff umspült, sondern befindet sich im Vakuum und ist über eine Kältebrücke an ein auslaufsicher konstruier­ tes Flüssig-Stickstoff-Reservoir angekoppelt. Eine sol­ che Anordnung zur Kühlung des SQUID-Meßkopfes in jeder beliebigen Lage wird in DE-OS 43 20 803 A1 beschrie­ ben.

Einrichtungen zur Kühlung einer SQUID-Meßvorrichtung bzw. eines SQUID-Magnetometers sind weiterhin den Druckschriften DE 40 39 129 A1 bzw. DE 42 27 878 A1 entnehmbar.

Aus Geng, Z. K. et al., A dc SQUID for use below 1 K (In: Rev. Sci. Instrum. 64 (5) 1993, S. 1319-1323) ist bekannt, einen SQUID-Sensor bzw. SQUID-Chip mit einer Metallumhüllung magnetisch abzuschirmen und vollständig zu umschließen. Der SQUID-Sensor ist im Vakuumbereich symmetrisch zur Mittelachse eines Kryostaten angeordnet und steht mit diesem durch Wärmeleitung der Metallum­ hüllung in Verbindung.

Bei der Anwendung von SQUID-Systemen ist die Kälteüber­ tragung auf den SQUID-Sensor problematisch. Die Sensor- Halterung muß einerseits eine gute Wärmeleitung besit­ zen, darf aber andererseits bei Bewegung im Erdmagnet­ feld keine Wirbelströme tragen, die zu parasitären Sig­ nalen am SQUID-Sensor führen. Weiterhin muß die Sensor- Halterung so konstruiert sein, daß Hochfrequenzstörun­ gen, die z. B. von Funk- und Radarsendern erzeugt wer­ den, nicht zum SQUID-Sensor durchdringen, da sie den SQUID-Betrieb beeinträchtigen können. Niederfrequente, elektromagnetische Felder bis hinauf zur höchsten vorgesehenen Wirbelstrom-Meßfre­ quenz müssen jedoch ungeschwächt durch die Sensor- Halterung zum SQUID-Sensor gelangen können.

Um den SQUID-Sensor als Sensor in einem höchstempfind­ lichen Wirbelstrom-Meßsystem zu nutzen, wird eine spe­ zielle Spulenkonfiguration zur Wirbelstromanregung be­ nötigt, die die Magnetfelder am Ort des Sensors mini­ mieren und gleichzeitig am Ort der Probe maximieren, Beispiele möglicher Spulenkonfigurationen finden sich in der Europäischen Patentschrift EP 0 787 293 B1 sowie in der Druckschrift US 4 827 217.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein mobiles SQUID-System zu schaffen, das eine zuverlässige Kältebrücke zwischen dem Flüssig-Stickstoff-Behälter und dem SQUID-Sensor aufweist, die in jeder Lage des Kryostaten eine gute Kälteübertragung zum Meßkopf hin ermöglicht, aber die durch Bewegung im Erdmagnetfeld entstehenden, uner­ wünschten Wirbelströme in dieser Kältebrücke möglichst unterbindet.

Die Aufgabe wird gelöst durch ein SQUID-System gemäß der Gesamtheit der Merkmale nach Anspruch 1. Weitere zweckmäßige oder vorteilhafte Ausführungsformen finden sich in den auf diesen Anspruch rückbezogenen Unteran­ sprüchen.

Erfindungsgemäß weist das mobile SQUID-System ein Ge­ häuse auf, in dem ein inneres Gefäß als Vorratsbehälter einer Kühlflüssigkeit angeordnet ist. Ein SQUID- Sensor ist vollständig von einer Metallumhüllung im Va­ kuumbereich des Gehäuses umschlossen und symmetrisch im Zentrum der Metallumhüllung angeordnet. Zur Bildung einer Kältebrücke ragen Mittel zum SQUID-Sensor hin in das innere Gefäß derart hinein, daß ein in dem inneren Gefäß befindlicher Kühlmittel-Flüssigkeitsspiegel die Kältebrücke bei beliebiger Gefäßorientierung benetzt.

Ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen SQUID- Systems ist im Querschnitt in der Fig. 1 gezeigt.

In ein Gehäuse 1 mit Innenraum 2 wird über ein Einlaß­ rohr 3a Kühlmittel, z. B. flüssiges Stickstoff, einge­ lassen und am Rohrende 3b in das Innere 5 eines inneren Gefäßes 4 zur Aufnahme des Kühlmittels gegeben. Mit dem inneren Gefäß 4 verbunden sind Kryopumpen 6 und 7, die je nach Orientierung des SQUID-Systems einzeln oder beide zur Kühlung beansprucht werden können.

Die das innere Gefäß als Kältebrücke dienende Metall­ fläche 8 zum an der Position 11 vorgesehenen, in der Fig. 1 im einzelnen nicht dargestellten SQUID 11 über­ trägt die Kälte an die Metallumhüllung 9 aus Kupfer und somit an den SQUID 11. Sowohl innerhalb als auch außer­ hald dieser Umhüllung 9 ist der Raum, in Verbindung mit dem Innenraum 2 des Gehaüses 1, über die Flanschverbin­ dung 16 mit Hilfe einer nicht dargestellten Pumpe va­ kuumgepumpt.

Die Kälteübertragung auf den SQUID-Sensor und die An­ forderungen an die elektrischen Eigenschaften der Sen­ sor-Halterung werden erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der SQUID-Sensor 11 im Vakuumbereich 2 in einer als Wärmeleiter und Hochfrequenz-Abschirmung wirkenden Me­ tallumhüllung als Halterung 9 vollständig umschlossen angebracht ist.

Damit die Sensor-Halterung 9 eine gute Wärmeleitung be­ sitzt und als Hochfrequenzschirmung wirkt, wird sie aus Metall, beispielsweise aus Kupfer, angefertigt. Zur Un­ terdrückung parasitärer Wirbelströme bei Bewegung im Erdmagnetfeld wird der SQUID-Sensor 11 genau symme­ trisch im Zentrum der Halterung 9 angebracht. Um Hoch­ frequenzstörungen, die z. B. von Funk- und Radarsendern erzeugt werden, abzuschirmen, andererseits aber die niederfrequenten elektromagnetischen Meßfelder bis hin­ auf zur höchsten vorgesehenen Wirbelstrom-Meßfrequenz ungeschwächt durch die Sensor-Halterung 9 zum SQUID- Sensor 11 durchdringen zu lassen, wird die Sensor- Halterung 9 so konstruiert, daß sie den SQUID-Sensor vollständig umschließt und die passende Materialstärke besitzt. Eine optimale Materialstärke d ergibt sich aus d = 1/√πσµf, wobei f die maximale Frequenz und σ die Leitfähigkeit des Metalls ist. Durch eine mehrlagige Ausführung und durch gute Erdung kann der Abschirmef­ fekt weiter verbessert werden.

Zur Verbesserung der Funktion der als Kältebrücke die­ nende Metallfläche 8 können mit dieser in das im Innern 5 des inneren Gefäßes 4 hineinragende Metalldrähte oder Metallflächen verbunden sein. Dabei ist es zweckmäßig diese Drähte und/oder Metallflächen so auszubilden, daß sie von dem Kühlmittel bei jeglicher Orientierung des SQUID-Systems wenigstens zum Teil benetzt werden.

In der Fig. 1 gezeigt sind außerdem elektrische Durch­ führungen 13 und 14 zur Versorgung des SQUID-Detektors 11 sowie eine, hinter dem inneren Gefäß 4 gelegene, elektrische Durchführung 15 zur Versorgung von in der Fig. 1 nicht dargestellten Platin-Widerständen zur Er­ mittlung der Temperatur an bestimmten Punkten im Inne­ ren des SQUID-Systems gezeigt. Eine GFK-Abschirmung 10 umschließt die Umhüllung 9. Schließlich ist außerhalb des Gehäuses 1 in der Nähe des SQUID 11 eine Spulenan­ ordnung 12 zur Wirbelstromanregung angeordnet.

Selbstverständlich ist der Einsatz des mobilen SQUID- Systems nicht auf den Betrieb mit flüssigem Stickstoff sowie auf HTSL-SQUID begrenzt. Vielmehr ist auch der Einsatz mit SQUID vorstellbar, die aus Materialen mit erheblich von bei 77 K zum Einsatz kommenden keramischen HTSL abweichender Sprungtemperatur herstellbar sind und unter Einsatz anderer Kühlflüssigkeiten betrieben wer­ den.

Claims (5)

1. Mobiles SQUID-System mit einem Gehäuse (1), in dem ein inneres Gefäß (4) als Vorratsbehälter einer Kühlflüssigkeit angeordnet ist, wobei ein SQUID- Sensor (11) vollständig von einer Metallumhüllung (9) im Vakuumbereich des Gehäuses (1) umschlossen und symmetrisch im Zentrum der Metallumhüllung (9) angeordnet ist, und zur Bildung einer Kältebrücke Mittel zum SQUID-Sensor (11) hin in das innere Ge­ fäß (4) derart hineinragen, daß ein in dem inneren Gefäß (4) befindlicher Kühlmittel-Flüssigkeits­ spiegel die Kältebrücke bei beliebiger Gefäßorien­ tierung benetzt.

2. Mobiles SQUID-System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Metallfläche (8) als Kältebrücke zum SQUID-Sensor (11) hin in das innere Gefäß (4) hin­ einragt.

3. Mobiles SQUID-System nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß an der Metallfläche (8) in das innere Gefäß (4) hinein­ ragend Metalldrähte oder schmale Metallflächen als Kältebrücke so angebracht sind, daß ein im Gefäß befindlicher Kühlmittel-Flüssigkeitsspiegel sie bei beliebiger Gefäßorientierung benetzt.

4. Mobiles SQUID-System nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß sich als Kryopumpe arbeitendes Material (6, 7) im Vakuumbe­ reich (2) befindet.

5. Mobiles SQUID-System nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine Spulenanordnung zur Wirbelstromanregung (12) fest mit dem Gehäuse (1, 10) verbunden ist.