DE4216907A1 - Messeinrichtung mit einem squid und einem supraleitenden transformatorkreis - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Meßeinrichtung mit einem SQUID und einem supraleitenden Transformatorkreis, der

• - eine mindestens eine Detektionsfläche festlegende Detek­ tionsschleifenanordnung zur Erfassung eines schwachen, sich zeitlich ändernden Magnetfeldes einer insbesondere biomagne­ tischen Feldquelle,
• - eine Koppelspule zur induktiven Einkopplung der an der De­ tektionsschleifenanordnung gewonnenen Meßsignale in das SQUID sowie
• - zwischen der Detektionsschleifenanordnung und der Koppelspu­ le verlaufende Verbindungsleiter enthält.

Eine derartige SQUID-Meßeinrichtung ist z. B. aus "Rev. Sci. Instrum.", Vol 53, No. 12, Dez. 1982, Seiten 1815 bis 1845, insbesondere Fig. 8 und 11 bekannt.

Mit supraleitenden Quanten-Interferometern, die auch als "SQUIDs" (Abkürzung von: Superconducting QUantum Interference Devices) bezeichnet werden, sind insbesondere äußerst schwache magnetische Felder zu messen (vgl. z. B. "IEEE Trans. EI. Dev.", Vol. ED-27, No. 10, Okt. 1980, Seiten 1896 bis 1908). Als bevorzugtes Anwendungsgebiet für SQUIDs wird deshalb auch die medizinische Diagnostik angesehen, da die dort auftreten­ den biomagnetischen Signale, z. B. die vom menschlichen Herzen oder vom menschlichen Gehirn erzeugten Magnetfelder, nur Feld­ stärken im pT-Bereich hervorrufen (Magnetokardiographie bzw. Magnetoenzephalographie).

Eine entsprechende Einrichtung zur Erfassung und Aufbereitung derartiger schwacher, orts- und zeitabhängiger Magnetfelder oder entsprechender Magnetfeldgradienten weist mindestens ei­ nen Meß- oder Detektionskanal auf. Dieser Kanal enthält wenig­ stens eine als Gradiometer oder Magnetometer gestaltete Anten­ ne, eine Koppelspule, einen SQUID-Kreis mit in ihn integrier­ tem SQUID, eventuell eine Modulationsspule, sowie Verstärker und eine Auswerteelektronik. Bis auf die Verstärker und die Auswerteelektronik bestehen die genannten Teile aus supralei­ tendem Material und sind deshalb in einem Kryosystem unterge­ bracht, um in ihnen supraleitende Betriebsbedingungen zu er­ möglichen. Die Antenne weist mindestens eine Detektionsschlei­ fe zur Erfassung der Magnetfelder der zu detektierenden Feld­ quelle auf. Das entsprechende Eingangssignal gelangt dann über mit der Detektionsschleife verbundene supraleitende Verbin­ dungsleiter zu der Koppelspule. Mit Hilfe dieser Spule wird das Meßsignal induktiv in den SQUID-Kreis transformiert. Die Antenne und die Koppelspule bilden dabei einen geschlossenen supraleitenden Stromkreis, der als ein Flußtransformator anzu­ sehen ist und deshalb auch als Flußtransformatorkreis bezeich­ net wird. Zur Messung des in den SQUID-Kreis eingekoppelten Flusses oder von entsprechenden Flußgradienten werden sowohl RF-SQUIDs (Hochfrequenz- bzw. Radio-Frequency-SQUIDs) als auch DC-SQUIDs (Gleichstrom- bzw. Direct-Current-SQUIDs) einge­ setzt. Eine Meßeinrichtung mit einer Vielzahl von entsprechend ausgestalteten Meßkanälen geht z. B. aus "Cryogenics", Vol. 29, August 1989, Seiten 809 bis 813 hervor.

Bei den bekannten Meßeinrichtungen bildet die mindestens eine Detektionsschleife eine Detektionsschleifenanordnung mit einer vorbestimmten Detektionsfläche zur Erfassung des Magnetfeldes einer zu detektierenden Feldquelle. Diese Schleifenanordnung hat dabei eine bestimmte Induktivität, die damit auch den in dem Flußtransformator zu erzeugenden Induktionsstrom festlegt. Zu einer Optimierung des Flußtransfers auf die Koppelspule muß dann diese so ausgelegt werden, daß deren Induktion zumindest weitgehend gleich groß ist wie die der Detektionsschleifenan­ ordnung (vgl. die eingangs genannte Literaturstelle aus "Rev. Sci. Instrum.", Seite 1826, rechte Spalte). Die entsprechende Flußeinkopplung in den SQUID-Kreis läßt sich dann durch fol­ gende Beziehung beschreiben:

Dabei sind

Φ_sq der Fluß im SQUID-Kreis
Φ_ex der in der Detektionsschleifenanordnung hervorgerufene Fluß
k der magnetische Koppelfaktor zwischen der Koppelspule und dem SQUID
L_sq die Induktivität des SQUID-Kreises
L_i die Induktivität der Koppelspule und
N L_i die Summe aller Induktivitäten in dem Flußtrans­ formator, wobei N2 ist.

Aus der vorgenannten Beziehung ist ersichtlich, daß der in den SQUID-Kreis einzukoppelnde magnetische Fluß von der Größe der Induktivität der Koppelspule und damit auch von der Induktivi­ tät der Detektionsschleifenanordnung abhängig ist.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die Flußeinkopplung in den SQUID-Kreis einer Meßeinrichtung mit den eingangs ge­ nannten Merkmalen zu verbessern.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die min­ destens eine Detektionsfläche der Detektionsschleifenanordnung mit mehreren nebeneinanderliegenden Teilschleifen belegt ist, die bezüglich der in ihnen induzierten, auf die Verbindungs­ leiter übertragenen Ströme parallelgeschaltet sind.

Die mit dieser Ausgestaltung der Meßeinrichtung verbundenen Vorteile sind insbesondere darin zu sehen, daß durch die Bele­ gung der Detektionsfläche mit einer Vielzahl von parallelge­ schalteten Teilschleifen die Gesamtinduktivität der Detek­ tionsschleifenanordnung gegenüber einer nicht-unterteilten An­ ordnung entsprechend erniedrigt wird. Auf diese Weise ist die Möglichkeit geschaffen, bei optimalem Flußtransfer über den Flußtransformator auch die Induktivität der Koppelspule ent­ sprechend zu erniedrigen. Diese Erniedrigung der Induktivität der Koppelspule bewirkt dann eine vorteilhafte Erhöhung der Flußeinkopplung in den SQUID-Kreis.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Meßeinrich­ tung gehen aus den abhängigen Ansprüchen hervor.

Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird nachfolgend auf die schematische Zeichnung Bezug genommen, in deren Fig. 1 der prinzipielle Aufbau eines Flußtransformators mit nachge­ ordnetem SQUID-Kreis einer bekannten Meßeinrichtung veran­ schaulicht ist. Aus Fig. 2 geht in entsprechender Darstellung der Aufbau einer erfindungsgemäßen Meßeinrichtung hervor. Fig. 3 zeigt eine weitere Detektionsschleifenanordnung einer Meßeinrichtung nach der Erfindung. In den Figuren sind sich entsprechende Teile mit denselben Bezugszeichen versehen.

Die in Fig. 1 schematisch dargestellten Teile eines Meßkanals sind bei bekannten Meßeinrichtungen allgemein gebräuchlich (vgl. z. B. die eingangs genannte Literaturstelle aus "Rev. Sci. Instrum.", Fig. 11). Der Meßkanal einer entsprechenden, allgemein mit 2 bezeichneten Meßeinrichtung enthält hier als Detektionsschleifenanordnung eine einzige Detektionsschleife 3. Mit dieser ein Magnetometer bildenden Detektionsschleife ist ein von mindestens einer zu detektierenden Feldquelle er­ zeugtes magnetisches Feld zu empfangen. Das entsprechende Feldsignal 4 kann insbesondere im Falle einer biomagnetischen Feldquelle verhältnismäßig niederfrequent sein. Es ruft an der Detektionsschleife 3 ein allgemein mit 5 bezeichnetes Meßsi­ gnal in Form eines Induktionsstromes hervor. Dieses Meßsignal wird über zwei supraleitende Verbindungsleiter 6a und 6b einer Koppelspule 7 zugeführt, über die es induktiv in eine Schleife 8 eines DC-SQUIDs 10 eingekoppelt wird. Die Detektionsschleife 3, die Verbindungsleiter 6a und 6b sowie die Koppelspule 7 bilden so einen allgemein mit 11 bezeichneten supraleitenden Flußtransformatorkreis. Das mit Hilfe des SQUIDs 10 erzeugte SQUID-Signal wird dann einer nachgeordneten, in der Figur nicht ausgeführten Elektronik zur Weiterverarbeitung und Dar­ stellung zugeleitet.

Die Detektionsschleife 3 hat gemäß der Darstellung nach Fig. 1 eine z. B. etwa quadratische Gestalt und begrenzt so bei ei­ ner Seitenlänge a eine Detektionsfläche F=a². Der in einer solchen Schleife 3 von einem magnetischen Feldsignal 4 mit der magnetischen Induktion B hervorgerufene magnetische Fluß be­ trägt dann

Φ_ex = F*B.

Die Induktivität (Selbstinduktion) der Schleife 3 sei mit L_p bezeichnet. Für den Wert von L_p gilt dabei zumindest annähernd die folgende Beziehung:

L_p = α · µ₀ · 4a,

wobei α eine Proportionalitätskonstante und µ₀ die magnetische Feldkonstante (Permeabilität) des Vakuums sind.

Gemäß der Erfindung soll nun die vorgegebene Detektionsfläche F nicht wie gemäß Fig. 1 nur von einer einzigen Detektions­ schleife 3, sondern von mehreren Teilschleifen belegt sein. Diese Teilschleifen sollen dabei an die Verbindungsleiter 6a und 6b so angeschlossen sein, daß die in diesen Teilschleifen durch das Feldsignal 4 der magnetischen Induktion B induzier­ ten Ströme in den angeschlossenen Verbindungsleitern 6a und 6b jeweils einen Strombeitrag in derselben Richtung erzeugen. Ein entsprechendes Ausführungsbeispiel einer Meßeinrichtung ist in Fig. 2 angedeutet. Die dort mit 12 bezeichnete Meßein­ richtung nach der Erfindung enthält deshalb auf der Detek­ tionsfläche F eine Detektionsschleifenanordnung 13 aus vier Teilschleifen 14a bis 14d. Der in der Detektionsschleifenan- ordnung 13 hervorgerufene magnetische Fluß Φ_ex hat dabei an­ nähernd wie im Fall der Fig. 1 die Größe Φ_ex≃F*B. Die Teilschleifen 14a bis 14d bilden zusammen mit den Verbindungs­ leitern 6a und 6b und einer Koppelspule 15 einen Flußtransfor­ matorkreis 16. Das Verknüpfungszentrum der Teilschleifen 14a bis 14d etwa in der Mitte der Detektionsschleifenanordnung ist mit 17 bezeichnet. Die einzelnen Verknüpfungspunkte der Teil­ schleifen mit den Verbindungsleitern 6a und 6b sind in der Fi­ gur verstärkt angedeutet und allgemein mit 18 bezeichnet.

Jede einzelne etwa quadratische Teilschleife mit der Seiten­ länge a/2 hat dabei eine Einzelinduktivität L_a. Alle Teil­ schleifen führen zu einer Gesamtinduktivität L_p′ der Detek­ tionsschleifenanordnung 13, die aufgrund der Parallelschal­ tung der Teilschleifen etwa um einen Faktor 0,25 kleiner ist als die Einzelinduktivität L_a einer Teilschleife, d. h.

L_p′≈(1/4) · L_a.

Hierbei ist angenommen, daß die Teilschleifen untereinander nicht stark magnetisch gekoppelt sind, d. h., die Gegeninduktivität zwischen den Teilschleifen «L_a ist. Für den Wert von L_a gilt folgende Beziehung:

L_a = α · µ₀ · 2a

wegen der Seitenlänge a/2 der Teilschleifen. Da auch hier die Forderung nach zumindest annähernd gleicher Induktivität der Detektionsschleifenanordnung 13 und der Koppelspule 15 vor­ teilhaft ist, gilt:

L_i′=L_p′=(1/4) · -l_a.

Dabei ist L_i′ die Induktivität der Koppelspule 15. Drückt man nun die Induktivität L_p der Detektionsschleife 3 bzw. die In­ duktivität L_i der Koppelspule 7 nach Fig. 1 in Einheiten von L_a aus, so gilt:

L_p=L_i=2*L_a.

Vergleicht man nun L_p=α · µ₀ · 4a mit

L_p′=(1/4) · (α · µ₀ · 2a),

so erkennt man, daß sich mit den erfindungsgemäßen Maßnahmen die Induktivität der Detektionsschleifenanordnung etwa um einen Faktor 8 reduzieren läßt. Mit einer an die Induktivität L_p′ angepaßten Koppelspule 15 der Induktivität L_i′ kann man also die Flußeinkopplung Φ_sq/Φ_ex um einen Faktor verbessern.

Wenn allerdings eine magnetische Verkopplung der Teilschleifen untereinander gegeben ist, dann ergibt sich:

L_p′<(1/4) · L_a.

Das heißt, die Reduzierung der Induktivität ist noch größer als um einen Faktor 8 und die Flußeinkopplung noch entsprechend verbessert.

Für eine perfekte magnetische Verkopplung der Teilschleifen ergäbe sich für das in Fig. 2 gewählte Ausführungsbeispiel mit vier Teilschleifen annähernd die folgende Beziehung:

L_p′≈(1/4) · (1/2) · L_a = (1/16) · L_a.

Eine starke Kopplung der Teilschleifen untereinander läßt sich z. B. dadurch realisieren, daß man parallel zu den Leiterstücken der einzelnen Teilschleifen jeweils eine supraleitende Leiterbahn anordnet, wobei die Ausbildung von geschlossenen Ringstrukturen aus diesen Leiterbahnen vermieden werden muß. Zwei entsprechende Ausführungsbeispiele sind in den Fig. 3 und 4 angedeutet, wobei jeweils die Detektionsschleifenanordnung 13 der Fig. 2 zugrundegelegt ist.

Gemäß Fig. 2 sind die vier Teilschleifen 14a bis 14d der De­ tektionsschleifenanordnung 13 weitgehend auf einer gemeinsamen supraleitenden Leiterstruktur 20 angeordnet, die als eine supraleitende Grundebene insbesondere auf Erdpotential liegen und auch als sogenannte "groundplane" angesehen werden kann. Diese in der Figur durch eine Schraffur veranschaulichte Leiterstruktur 20 weist von den Leiterstücken der einzelnen Teilschleifen überbrückte Unterbrechungen oder Aussparungen in ihren streifenförmigen Leiterbahnen 20i auf, damit sich keine supraleitenden Ringstrukturen innerhalb der Leiterstruktur 20 ergeben können. Aus diesem Grunde ist im Bereich des Verknüp­ fungszentrums 17 der Teilschleifen eine Aussparung 22 vorge­ sehen. Gegebenenfalls kann diese Aussparung auch so groß sein, daß nur die den Außenrand der Detektionsschleifenanordnung 13 bildenden Teilstücke der Teilschleifen 14a bis 14d auf der Leiterstruktur 20 verlaufen. Auf alle Fälle muß jedoch am Au­ ßenrand der Struktur eine weitere Aussparung 23 vorhanden sein. Die Leiterstruktur 20 ist vorteilhaft in Dünnfilmtechnik zu erstellen; gegebenenfalls kann sie jedoch auch aus diskre­ ten, beispielsweise drahtförmigen Leitern aufgebaut sein, die parallel zu den entsprechenden Leiterstücken der Teilschleifen 14a bis 14b angeordnet sind.

Fig. 4 zeigt in Fig. 2 oder Fig. 3 entsprechender Darstel­ lung eine weitere Leiterstruktur 25 zur magnetischen Kopplung der Teilschleifen 14a bis 14d gemäß Fig. 2. Da bei dieser Leiterstruktur, abweichend von dem Ausführungsbeispiel der Fig. 3, auch der zentrale Verknüpfungsbereich 17 der Teil­ schleifen von den streifenförmigen Leiterbahnen 25i dieser Leiterstruktur geschlossen ist, muß in diesem Fall am Außen­ rand der Detektionsschleifenanordnung 13 im Bereich jeder ihrer Teilschleifen jeweils mindestens eine Aussparung in den Leiterbahnen der Leiterstruktur 25 vorgesehen werden. Die ent­ sprechenden Trennstellen sind in der Figur mit 26a bis 26d be­ zeichnet.

Abweichend von der in Fig. 2 gezeigten Gestalt der Teil­ schleifen 14a bis 14d können diese gegebenenfalls auch andere Formen haben, z. B. rund oder sechseckig geformt sein. Die Schleifen sowie zumindest die ihnen zugeordneten weiteren Tei­ le des Flußtransformatorkreises 16 und der SQUID-Kreis 10 wer­ den hierzu vorteilhaft mittels bekannter Verfahren der Planar­ lithographie als Dünnfilmstrukturen erstellt. Die Begrenzung der geometrischen Größe der einzelnen Teilschleifen nach unten hin und damit die maximale Anzahl von Teilschleifen auf einer Detektionsfläche ist im wesentlichen durch die Lithographie gegeben. Vorteilhaft sind mindestens vier Teilschleifen auf einer Detektionsfläche.

Die erfindungsgemäßen Maßnahmen erstrecken sich nicht nur auf Magnetometer gemäß den Fig. 2 bis 4, sondern sind ebensogut auch für Gradiometer erster oder höherer Ordnung anwendbar. Ein Aufbau für ein entsprechendes Gradiometer erster Ordnung einer erfindungsgemäßen Meßeinrichtung ist in Fig. 5 angedeu­ tet. Dieses Gradiometer lwird von einer Detektionsschleifenan­ ordnung 28 gebildet, die zur Detektion ein Schleifensystem 29 und zur Kompensation ein Schleifensystem 30 aufweist. Die bei­ den Schleifensysteme 29 und 30 setzen sich dabei gemäß einer der Fig. 2 bis 4 jeweils aus vier Teilschleifen 29a bis 29d bzw. 30a bis 30d zusammen und begrenzen zwei Detektionsflächen F und F′. Diese im allgemeinen gleichgroßen Flächen können in einer gemeinsamen Ebene oder auch in mehreren Ebenen liegen. Die untereinander parallelgeschalteten Teilschleifen jedes der Schleifensysteme sind entsprechend ihrer Detektions- bzw. Kom­ pensationsfunktion mit Verbindungsleitern 6a und 6b verbunden. In entsprechender Weise lassen sich auch Gradiometer höherer Ordnung erstellen, indem man die einzelnen Gradiometerschlei­ fen von bekannten Gradiometern jeweils durch eine erfindungs­ gemäße Detektionsschleifenanordnung mit mehreren Teilschleifen ersetzt. Auch bei diesen Gradiometern können supraleitende Leiterstrukturen gemäß den Fig. 3 und 4 zur magnetischen Verkopplung der einzelnen Teilschleifen vorgesehen werden.

Die in den Figuren gezeigten Teile von Meßeinrichtungen nach der Erfindung sollen sich auf einer zur Kühlung des für sie verwendeten supraleitenden Materials hinreichenden Tieftempe­ ratur, insbesondere auf der Siedetemperatur des flüssigen He­ liums (LHe) von 4,2 K befinden. Gegebenenfalls können die su­ praleitenden Teile auch aus bekannten metalloxidischen Hoch- T_c-Supraleitermaterialien hergestellt sein, die sich mit flüs­ sigem Stickstoff (LN₂) kühlen lassen. Die Meßeinrichtungen können einen oder mehrere parallele, jeweils zumindest weit­ gehend baugleiche Meßkanäle aufweisen. In den Figuren nicht näher ausgeführte Teile solcher Meßeinrichtungen sind an sich bekannt (vgl. z. B. die genannte Literaturstelle aus "Cryo­ genics").

Claims (8)

1. Meßeinrichtung mit einem SQUID und einem supraleitenden Transformatorkreis, der

• - eine mindestens eine Detektionsfläche festlegende Detek­ tionsschleifenanordnung zur Erfassung eines schwachen, sich zeitlich ändernden Magnetfeldes einer insbesondere biomagne­ tischen Feldquelle,
• - eine Koppelspule zur induktiven Einkopplung der an der De­ tektionsschleifenanordnung gewonnenen Meßsignale in das SQUID sowie
• - zwischen der Detektionsschleifenanordnung und der Koppelspu­ le verlaufende Verbindungsleiter

enthält, dadurch gekennzeichnet, daß die mindestens eine Detektionsfläche (F, F′) der Detektions­ schleifenanordnung (13, 28, 29, 30) mit mehreren nebeneinan­ derliegenden Teilschleifen (14a bis 14d, 29a bis 29d, 30a bis 30d) belegt ist, die bezüglich der in ihnen induzierten, auf die Verbindungsleiter (6a, 6b) übertragenen Ströme (5) paral­ lelgeschaltet sind.

2. Meßeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß auf der Detektionsfläche (F, F′) mindestens vier Teilschleifen (14a bis 14d, 29a bis 29d, 30a bis 30d) angeordnet sind.

3. Meßeinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Transformatorkreis (16) eine ein Gradiometer erster Ordnung bildende Detektionsschlei­ fenanordnung (28) mit einem auf einer ersten Detektionsfläche (F) liegenden Detektionsschleifensystem (29) aus parallelge­ schalteten Teilschleifen (29a bis 29d) und mit einem auf einer zweiten Detektionsfläche (F′) liegenden Kompensationsschlei­ fensystem (30) aus parallelgeschalteten Teilschleifen (30a bis 30d) enthält (Fig. 5).

4. Meßeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, da­ durch gekennzeichnet, daß die Teilschlei­ fen (14a bis 14d, 29a bis 29d, 30a bis 30d) zumindest weitge­ hend quadratische Form haben.

5. Meßeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, da­ durch gekennzeichnet, daß die Induktivi­ tät (L_i′) der Koppelspule (15) an die Gesamtinduktivität (L_p′) der Detektionsschleifenanordnung (13, 28, 29, 30) angepaßt ist.

6. Meßeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, da­ durch gekennzeichnet, daß zu einer ma­ gnetischen Verkopplung der Teilschleifen (14a bis 14d, 29a bis 29d, 30a bis 30d) parallel zu Teilen der Leiter dieser Teil­ schleifen supraleitende Leiterbahnen (20i, 25i) angeordnet sind, die eine gemeinsame Leiterstruktur (20, 25) bilden, wel­ che Aussparungen (23, 26a bis 26d) zur Vermeidung von ge­ schlossenen supraleitenden Ringstrukturen innerhalb der Lei­ terstruktur aufweist (Fig. 3 und 4).

7. Meßeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, da­ durch gekennzeichnet, daß zumindest die Detektionsschleifenanordnung (13, 28, 29, 30) in Dünnfilm­ technik erstellt ist.