DE69022648T2

DE69022648T2 - Mehrkanalsquidmagnetometer.

Info

Publication number: DE69022648T2
Application number: DE69022648T
Authority: DE
Inventors: Takao Goto; Takehiko Hayashi; Yutaka Igarashi
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 1989-07-10
Filing date: 1990-07-10
Publication date: 1996-02-29
Anticipated expiration: 2010-07-11
Also published as: DE69022648D1; US5093618A; EP0408302A2; EP0408302B1; EP0408302A3; JPH0342587A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Mehrkanal-SQUID- Flußmesser (supraleitender Quanteninterferometer) für die Erfassung von Magnetflußsignalen auf der Grundlage von durch eine Vielzahl von SQUID-Flußfühlern gelieferten Impulssignalen.
Hochempfindliche Flußmesser mit supraleitenden quanteninterferometrischen Vorrichtungen (SQUIDs) werden zur Messung kleiner durch ein zu untersuchendes Objekt, wie z. B. einen lebenden Körper erzeugter magnetischer Felder eingesetzt. Durch die Messung der Verteilung der Magnetfelder, beispielsweise im Gehirn oder im Herz, ist es möglich, die sie erzeugenden Ströme abzuschätzen. Aus diagnostischer Sicht muß hervorgehoben werden, daß die Abschätzung der Ströme bedeutsame Information liefern und zur Klärung der Nervenaktivität im lebenden Körper verwendet werden kann. Magnetische Felder können mit einem Einkanal-SQUID- Flußmesser gemessen werden, welcher zur sequentiellen Messung zeitserieller Daten von jedem Teil eingerichtet ist. Allerdings braucht dieses Verfahren eine lange Zeit, und die zu untersuchende Person ermüdet. Außerdem können die Ströme nicht mit großer Genauigkeit erfaßt werden, weil eine gleichzeitige Messung der Magnetfelder an verschiedenen Teilen nicht ausgeführt werden kann. Somit benötigt man einen mehrkanaligen SQUID-Flußmesser, der eine gleichzeitige Messung der Magnetfelder an verschiedenen Teilen des zu untersuchenden Organs gestattet.
Bei herkömmlichen Mehrkanal-SQUID-Flußmessern ist eine Verarbeitungs- oder Prozessorschaltung für jeden einkanaligen Flußfühler vorgesehen, die ein erfabtes Signal in ein Flußsignal umsetzt. Somit sind, wenn beispielsweise ein 100-kanaliger SQUID-Flußmesser realisiert werden soll, einhundert Prozessorschaltungen nötig. Für Analog-SQUIDs wurde auch ein Verfahren zur Vereinfachung des SQUID-Systems vorgeschlagen, indem jedes SQUID mit anderer Frequenz betrieben wird und die Ausgangsleitungen der SQUIDs im Multiplex über eine einzige Ausgangsleitung gesendet werden (Furukawa et al., Japanese Journal of Applied Physics, Band 28, Nr. 3, März, 989, Seiten L456-L458). Dieses Verfahren braucht jedoch 50 viele Phasendetektorschaltungen zur Demodulation wie es Kanäle gibt. Deshalb stellen sich bei herkömmlichen Vorrichtungen wegen des erhöhten Schaltungsumfangs und des erhöhten Leistungsverbrauchs Schwierigkeiten ein.
Einige digitale SQUIDs sind zur Erzeugung von Impuls-Ausgangssignalen eingerichtet. Eine Art besteht aus einem Quanteninterferometer mit zwei Übergängen und ist wechselstromvorgespannt, um ein Impuls-Ausgangssignal abzugeben (siehe japanische ungeprüfte Patentveröffentlichung Nr. 63-290979). Eine andere Art ist ein Gleichspannungs-SQUID, bei dem eine Spannung an einem supraleitenden Vergleicher oder einen 1-Bit-Analog/Digitalwandler anliegt, um dadurch ein Impuls-Ausgangssignal zu erzeugen (D. Drung, Cryogenics, Band 26, Seiten 623-627, 1986).
Journal of Physics E: Scientific instruments, Band 17, 1984, Seiten 504-512 beschreibt einen Mehrkanal-SQUID-Flußmesser, der die Merkmale des Oberbegriffs der beiliegenden unabhängigen Ansprüche hat. Dieser Flußmesser verwendet Analog-SQUIDs, deren Signale durch Abtast- und Halteschaltungen und Integratoren verarbeitet werden. Eine jeweilige Abtast- und Halteschaltung und ein Integrator sind für jedes SQUID vorgesehen.
EP-A-O 111 826 beschreibt einen anderen Mehrkanal-SQUID- Flußmesser, der Analog-SQUIDs einsetzt. In diesem Fall ist ein einzelner Satz analoger Verarbeitungsschaltungen für alle SQUIDs vorgesehen.
Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Mehrkanal-SQUID-Flußmesser ermöglicht, der aufweist:
- eine Vielzahl von SQUID-Flußfühlern zur Erfassung eines schwachen von verschiedenen Teilen eines zu untersuchenden Objekts ausgehenden Magnetflusses, wobei jeder Fühler ein SQUID zur Erzeugung eines Ausgangssignals enthält;
- einen Multiplexer, der die Ausgangssignale der Vielzahl der Fühler schaltet, um jedes der Ausgangssignale auf zeitserieller Grundlage zu extrahieren;
- Prozessorschaltungsmittel zur Verarbeitung des extrahierten Ausgangssignals, um die Intensität des von dem gewählten Fühler erfaßten Magnetflusses zu ermitteln, wobei die Prozessorschaltungsmittel Rückkoppelglieder aufweisen, die ein Rückkoppelsignal dem ge-wählten Fühler so zuzuführen, daß das Ausgangssignals des Fühlers einen vorgegebenen Wert annimmt, dadurch gekennzeichnet, daß jedes der SQUIDs ein digitaler SQUID-Flußfühler ist, der ein Impulssignal ausgibt, welches aus positiven oder negativen Impulsen, abhängig von der Richtung des erfaßten Magnetflusses, besteht;
daß die Prozessorschaltungsmittel für alle Fühler gemeinsam vorgesehen sind und einen Zähler zum Zählen der Impulse im extrahierten Impulssignal enthalten; und
daß Speichermittel zur Speicherung des vom Zähler gezählten Werts für den gewählten Fühler in einem jeweiligen Speicherbereich eingerichtet sind, wobei dieser Wert die vom Fühler erfaßten Magnetflußstärke ausgedrückt in Einheiten der Stärke des Rückkoppelsignals darstellt, und daß ferner Mittel zur Voreinstellung des Werts in dem Zähler vorgesehen sind.
Gemäß einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Mehrkanal-SQUID-Flußmesser ermöglicht, der aufweist:
- eine Vielzahl von SQUID-Flußfühlern zur Erfassung eines schwachen, von verschiedenen Teilen eines zu untersuchenden Objekts ausgehenden Magnetflusses, wobei jeder Fühler ein SQUID (13) zur Erzeugung eines Ausgangssignals enthält;
- einen Multiplexer zum Schalten der von der Vielzahl der Fühler abgegebenen Ausgangssignale, um jedes der Ausgangssignale auf zeitserieller Basis zu extrahieren; und
- Rückkoppelglieder, die dem gewählten Fühler ein Rückkoppelsignal so anlegen, daß das Ausgangssignal des Fühlers einen vorgegebenen Wert annimmt;
dadurch gekennzeichnet, daß:
jeder der SQUIDs ein digitaler SQUID-Flußfühler ist, der ein Impulssignal ausgibt, das aus positiven oder negativen Impulsen abhängig von der Richtung des erfaßten Magnetflusses besteht;
daß ein Zähler gemeinsam für alle Fühler zum Zählen der Impulse im extrahierten Pulssignal vorgesehen ist;
daß Speichermittel zum Speichern des vom Zähler gezählten Werts für den gewählten Fühler in einem jeweiligen Speicherbereich eingerichtet sind, wobei dieser Wert die Stärke des vom Fühler erfaßten Magnetflusses darstellt;
und daß die Rückkoppelglieder eine supraleitende Rückkoppelschaltung sind, die für jeden der Fühler vorgesehen ist und Magnetflußquanten speichert, die dem vom jeweiligen Fühler ausgegebenen Impulssignal entsprechen, wobei das Rückkoppelsignal dem Magnetiflußquanten entspricht.
Eine Ausführungsart der vorliegenden Erfindung kann ein Mehrkanal-SQUID-Flußmesser ermöglichen, der eine Messung von Impulssignalen von einer Anordnung mehrerer digitaler SQUID-Flußfühler durch Verwendung wenigstens einer Prozessorschaltung gestattet und dadurch kleine Magnetfelder an verschiedenen Teilen eines zu untersuchenden Objekts im wesentlichen zur selben Zeit messen kann und wobei der Flußmesser einen verringerten Schaltungsumfang hat.
Nun wird beispielhaft auf die beiliegenden Zeichnungen bezug genommen, in denen:
Fig. 1 die Prinzipanordnung der vorliegenden Erfindung veranschaulicht;
Fig. 2 die prinzipielle Arbeitsweise der vorliegenden Erfindung veranschaulicht;
Fig. 3 eine Anordnung einer ersten Ausführungsart der vorliegenden Erfindung darstellt;
Fig. 4 ein Diagramm ist, das zur Erläuterung der Arbeitsweise der ersten Ausführungsart der vorliegenden Erfindung dient;
Fig. 5 eine spezielle Anordnung einer Steuerschaltung in Fig. 3 darstellt;
Fig. 6 ein die prinzipielle Arbeitsweise der Steuerschaltung von Fig. 5 veranschaulichendes Zeitdiagramm ist;
Fig. 7 eine Anordnung einer zweiten Ausführungsart der vorliegenden Erfindung darstellt;
Fig. 8 eine Anordnung einer dritten Ausführungsart der vorliegenden Erfindung darstellt; und
Fig. 9 eine spezielle Anordnung des wesentlichen Abschnitts der dritten Ausführungsart veranschaulicht.
Fig. 1 veranschaulicht die Prinzipstruktur der vorliegenden Erfindung.
In Fig. 1 sind SQUID-Flußfühler 1 (S1 bis Sn) jeweils für einen von mehreren Kanälen 1 bis n vorgesehen, die kleine Magnetflüsse an verschiedenen Teilen eines zu untersuchenden Objekts, wie z. B. eines lebenden Körpers, erfassen und digitale Typen sind, die Impuls-Ausgangssignale erzeugen.
Eine Prozessorschaltung 2 empfängt geschaltete Ausgangsimpulssignale von den SQUID-Flußfühlern, um diese nacheinander zu verarbeiten und führt einem jeweils entsprechenden SQUID-Flußfühler 1 ein Rückkoppelsignal so zu, daß die Impulssignale eine vorgegebene Stärke annehmen können.
Das Schalten der von den SQUID-Flußfühlern 1 abgegebenen Ausgangsimpulssignale, um sie auf zeitserieller Basis abzuleiten, kann mittels eines von einer Steuerschaltung 3 gesteuerten Multiplexers 4 im Zeitvielfach erfolgen, wobei der Multiplexer 4 die von der Vielzahl der SQUIDs ausgegebenen Impulssignale abnimmt, wie Fig. 1 darstellt. Alternativ, obwohl dies nicht dargestellt ist, können Vorströme für die jeweiligen digitalen SQUIDs der Vielzahl der SQUID-Flußfühler 1 in zeitserieller Art, geschaltet durch einen Multiplexer, zugeführt werden. Dieses Schalten bezieht sich auf das sequentielle Ableiten der zu S.1 (Kanal 1) bis S.n (Kanal n) der SQUID-Flußfühler 1 gehörenden Impulssignale, die der Prozessorschaltung 2, wie in (1) von Fig. 2 dargestellt, zugeführt werden. Der Schaltvorgang der Impulssignale auf zeitserieller Basis kann auch in mehreren Zyklen (t1, t2, ...) wiederholt werden, und ein die Intensität des Magnetflusses darstellendes Signal kann bei jeder Wiederholung von der Prozessorschaltung 2 erhalten werden.
Ein Speicher 5 kann vorgesehen sein, der eine Magnetflußstärke speichert, die ein von der Prozessorschaltung 2 für jeden der Kanäle 1 bis n erzeugtes Signal (Rückkopplungssignal) darstellt. Wenn ein solcher Speicher 5 vorgesehen ist, läßt sich auch, wie (2) bis (5) von Fig. 2 darstellen, ein die Flußstärke darstellendes Signal in jedem seiner Speicherbereiche entsprechend einem jeweiligen Einzelkanal in jedem der Zyklen t1, t2 in sequentiellem Schaltvorgang speichern.
Die Prozessorschaltung 2 muß nicht die einzige solche Schaltung sein, sondern es kann eine Vielzahl solcher Prozessorschaltungen vorgesehen sein (deren Anzahl kleiner als die der Kanäle ist). In diesem Falle können mehrere SQUID- Flußfühler 1 in mehrere Gruppen unterteilt sein; die Anzahl derselben ist gleich der der Prozessorschaltungen, so daß die von den SQUID-Flußfühlern ausgegebenen Impulssignale gruppenweise im Multiplex geschaltet werden, um sie den jeweiligen einzelnen Prozessorschaltungen zuzuführen.
In der vorliegenden Erfindung, wie sie in den Fign. 1 und 2 dargestellt ist, legt die Prozessorschaltung 2, die die lmpulssignale, die von den SQUID-Flußfühlern 1 in zeitserieller Weise ausgegeben werden, von diesen ableitet und empfängt, an die jeweils entsprechenden SQUID-Flußfühler 1 ein Rückkoppelsignal so an, daß die Impulssignale eine vorgegebene Stärke (z. B. 0) annehmen und mißt die Stärke der entsprechenden Magnetfelder anhand der Stärke des Rückkoppelsignals.
Deshalb müssen zum Messen der Feldstärke nur eine oder mehrere Prozessorschaltungen 2 für eine größere Anzahl von SQUID-Flußfühlern 1 vorgesehen sein, ermöglichen dadurch eine simultane Messung kleiner Magnetfelder im lebenden Körper und verringern den Schaltungsumfang der Flußmesserschaltung, wodurch die Vorrichtung klein gehalten werden kann.
Fig. 3 zeigt eine erste Ausführungsart der vorliegenden Erfindung. In Fig. 3 sind n-SQUID-Flußfühler 1, die jeweils eine digitale SQUID-Vorrichtung (supraleitende Quanteninterferometervorrichtung) enthalten, dazu eingerichtet Ausgangsimpulssignale zu erzeugen, jeweils für die Kanäle 1 bis n. Genauer enthält jeder SQUID-Flußfühler 1 eine Meßfühlerspule 11, die ein Magnetfeld in einem zu untersuchenden Objekt, wie z. B. einen lebenden Körper, erfaßt, eine Rückkoppelspule 12, die für ein Rückkoppelsignal von der Prozessorschaltung 2 vorgesehen ist, um ein Magnetfeld zu erzeugen, und ein digitales SQUID 13, das aus einem Josephson-Element gebildet ist.
Die SQUID-Flußfühler 1 sind in Matrixform über oder in der Nähe des Objekts angeordnet, so daß sie gleichzeitig den von verschiedenen Teilen des Objekts (z. B. einem menschlichen Herz) ausgehenden Magnetfluß erfassen können. In einem so gestalteten SQUID-Flußfühler 1 werden digitale SQUIDs 13 immer mit einem Wechselvorstrom von einer Konstantstromquelle 6 gespeist. Wenn in diesem Zustand der vom Qbjekt ausgehende Nagnetfluß dem Digital-SQUID 13 durch die Meßfühlerspule 11 zugeführt wird, gibt dieses in einem dem Zyklus des Wechselvorstroms entsprechenden Zyklus ein Impulssignal einer (positiven oder negativen) Polarität aus, die der (positiven oder negativen) Richtung des Magnetflusses entspricht. Dieser Magnetfluß kann anhand des Vorliegens oder Nichtvorliegens dieses Impulssignals erfaßt werden (siehe die japanische ungeprüfte Patentveröffentlichung Nr. 63-290979).
Jeder von mehreren Vorverstärkern 7 ist mit seinem jeweiligen einzelnen SQUID-Flußfühler 1 verbunden, um die von dem Digital-SQUID 13 ausgegebenen positiven oder negativen Impulssignale zu verstärken.
Ein Multiplexer 4-1 wählt aufeinanderfolgend ein Impulssignal aus den vom Vorverstärker 7 erhaltenen positiven und negativen Impulssignalen für die jeweiligen Kanäle und legt das Impulssignal der Prozessorschaltung 2 an.
Die Prozessorschaltung 2 zählt die Impulssignale von dem Multiplexer 4-1 und legt jedem der SQUID-Flußfühler 1 ein Rückkoppelsignal an, so daß Impulssignale von ihm beispielsweise zu Null werden. Die Intensität des Magnetflusses wird in Einheiten der Stärke des Rückkoppelsignals gemessen. Insbesondere besteht die Prozessorschaltung 2 aus einem Zähler 21 und einem Digital/Analog-Wandler 22.
Der Zähler 21 ist ein Aufwärts-Abwärts-Zähler, der beispielsweise aufwärts zählt, wenn ein Impulssignal vom Multiplexer 4-1 positiv ist und abwärts zählt, wenn das Impulssignal negativ ist.
Der Digital/Analog-Wandler 22 setzt einen Digitalwert < beispielsweise einen Wert, der der Differenz der Anzahl der positiven Impulse und der negativen Impulse, die innerhalb einer vorgegebenen Zeitdauer erhalten werden, entspricht), der vom Zähler 21 zugeführt wurde in einen Analogwert um.
Ein Multiplexer 4-2 arbeitet synchron mit dem Multiplexer 4-1 und legt der Rückkoppelspule 12 eines entsprechenden SQUID-Flußfühlers 1 einen Analogwert vom Digital/Analog- Wandler 22 an. Die Rückkoppelspule 12 ist dazu eingerichtet, einen Magnetfluß einer Stärke zu erzeugen, die derjenigen eines vom Digital/Analog-Wandler 22 ausgegebenen analogen Rückkoppelsignals entspricht. Dieser Magnetfluß wird einem digitalen SQUID 13 in einer den von außen zugeführten Magnetfluß auslöschenden Richtung angelegt. Die Rückkoppelregelung wird dadurch so ausgeführt, daß die Anzahl der dem Zähler 21 zugeführten Impulse zu Null wird.
Der Speicher 5 speichert ein Signal, das die Intensität des von der Prozessorschaltung 2 gemessenen Magnetflusses darstellt, d. h. einen Zählwert des Zählers 21 für jeden der Kanäle 1 bis n.
Die Steuerschaltung 3 ist dazu eingerichtet, Schaltsignale an die Multiplexer 4-1 und 4-2 anzulegen, den Speicher 5 zum Speichern des Zählwerts des Zählers 21 zu adressieren und einen vorgegebenen Wert (einen im Speicher 5 im vorangegangenen Zyklus gespeicherten Wert) im Zähler 21 voreinzustellen.
Nun wird die Arbeitsweise der vorliegenden Erfindung unter Bezug auf die Fig. 2 und 4 beschrieben.
Zunächst wird die Grundarbeitsweise des vorliegenden Ausführungsbeispiels oder die Verfahrensweise beim Schalten der Impulssignale durch den Multiplexer 4-1 und das Verfahren zum Speichern der Zählwerte des Zählers 21 im Speicher 5 anhand der Fig. 2 beschrieben.
Wie in (1) von Fig. 2 dargestellt, werden durch den Multiplexer 4-1 geschaltete Impulssignale von S.1 (Kanal 1) bis S.n (Kanal n) von den SQUID-Flußfühlern 1 sequentiell der Prozessorschaltung 21 eingegeben, und die eingegebenen Impulssignale werden vom Zähler 21 gezählt. Dieser Schaltprozeß wird über eine Vielzahl von Zyklen (t1, t2, ...) wiederholt.
Wie in (2) bis (5) von Fig. 2 dargestellt, wird andererseits der Zählwert im Zähler 21 für jeden der Kanäle in dem jeweils entsprechenden Speicherbereich des Speichers 5 als Magnetflußdaten in jedem der Zyklen t1, t2, ... gespeichert (ein die Stärke des Magnetflusses angebendes Signal). Das heißt, daß derjenige Speicherbereich im Speicher 5, der dem Kanal 1 entspricht, Flußsignale S 1(t1), S 2(t2)...von S.1 der SQUID-Flußfühler 1 in den jeweils entsprechenden Zyklen t1, t2, ... speichert, wie in (2) von Fig. 2 dargestellt. Der Speicherbereich im Speicher 5, der dem Kanal 2 entspricht, speichert Flußsignale S 2(t1), S 2(t2), ... von S.2 der SQUID-Flußfühler 1 in jeweils entsprechenden Zyklen t1, t2, .. wie in (3) von Fig. 2 gezeigt ist. Der dem Kanal 3 entsprechende Speicherbereich im Speicher 5 speichert Flußsignale S 3(t1), S 3(t2), ... von S.3 der SQUID-Flußfühler 1 in jeweils entsprechenden Zyklen t1, t2, ..., wie (4) von Fig. 2 zeigt. Gleichermaßen speichert der dem Kanal n entsprechende Speicherbereich im Speicher 5 Flußsignale S n(tl), S n(t2), ... von S.n der SQUID-Flußfühler 1 in jeweils entsprechenden Zyklen t1, t2, ..., wie (5) von Fig. 2 zeigt.
Nachfolgend wird die einem Kanal i (i = 1-n) zugehörige spezielle Betriebsweise anhand der Fig. 4 beschrieben. In dieser Figur stellt die Abszisse die Zeit und die Ordinate, die Stärke des Rückkoppelsignals und die Stärke des eingegebenen Magnetflusses dar.
Zuerst wird zum Zeitpunkt (1) ein Rückkoppelkreis für den Kanal 1, der sich vom SQUID-Flußfühler 1 durch den Vorverstärker 7, den Multiplexer 4-1, dem Zähler 21, dem Digital/Analog-Wandler 22 und den Multiplexer 4-2 zur Rückkoppelspule 12 erstreckt, zur Einleitung der Rückkopplungsregelung geschlossen. Diese Rückkopplungsregelung wird nur währende einer unter (2) angedeuteten vorgegebenen Zeitdauer ausgeführt, während der der Zähler 21 mit positiven Impulsen vom SQUID-Flußfühler 1 hochzählt und mit negativen Impulsen abwärts zählt.
Nachdem die mit (2) angedeutete vorgegebene Zeitdauer verstrichen ist, wird zum Zeitpunkt (3) ((A)) der Zählwert des Zählers 21 als Magnetflußdaten in dem dem Kanal i entsprechenden Speicherbereich des Speichers 5 gespeichert.
Darauffolgend wird während der unter (4) angedeuteten Zeitdauer der Zählvorgang und der Datenspeichervorgang auch für die anderen Kanäle, wie im Fall des Kanals i, ausgeführt.
Nachdem die Messung des Magnetflusses für alle Kanäle 1 bis n in dieser Weise abgeschlossen ist, wird der Fluß erneut für den Kanal i während des nächsten Zyklusses gemessen. In diesem Fall werden an dem mit (5) bezeichneten Zeitpunkt ((B)) die Flußsignaldaten (der Zählwert des Zählers 21), die im Speicher 5 im vorangehenden Zyklus gespeichert worden sind, aus dem Speicher 5 ausgelesen und dann im Zähler 21 voreingestellt. Zur selben Zeit wird die Rückkoppelschleife für den Kanal i geschlossen, so daß der Zähler 21 seinen Zählvorgang, wie er zum Zeitpunkt (1) stattfand, beginnen kann. Nach der Ausführung des Zählvorgangs wurde eine vorgegebene Zeitdauer, die mit (6) angegeben ist, wird zum Zeitpunkt (7) ((C)) der Zählwert des Zählers 21 als Magnetflußdaten in den dem Kanal i entsprechenden Speicherbereich im Speicher 5 gespeichert.
Die obige Operation des Voreinstellens des Zählers 21 und des Datenspeicherns wird für jeden der Kanäle 1 bis n wiederholt, um die Magnetflußstärke für jeden Kanal 1 bis n Zyklus für Zyklus zu messen. Auf diese Weise lassen sich die Magnetflußsignaldaten entsprechend der Stärke des eingegebenen Magnetflusses für jeden Kanal und jeden Zyklus ermitteln.
Eine spezielle Anordnung der Steuerschaltung 3 zur Durchführung der oben beschriebenen Operation und ein dessen Prinziparbeitsweise zugeordnetes Zeitdiagramm sind jeweils in den Fign. 5 und 6 dargestellt.
Grundlegend kann die durch die Steuerschaltung 3 bewirkte Steuerung insgesamt von einem Mikrocomputer 31, wie er in Fig. 5 gezeigt ist, ausgeführt werden. In dieser Anordnung wird der Mikrocomputer 31 einem erzwungenen Hardware-Interrupt durch einen Intervallzähler 32 jeweils zum Zeitpunkt, an dem ein Kanal ausgewählt wird, unterworfen. Wenn der Mikrocomputer 31 unterbrochen ist, beginnt ein Programm abzulaufen, das zu Beginn die Kanalauswahldaten an einem Port A ausgibt, und der Multiplexer 4-1 wählt einen Kanal übereinstimmend mit den Daten. Ein Multiplexer, der zur Kanalwahl eingerichtet ist, enthält gewöhnlich einen Decodierer. Um einen von acht Schaltern zu gegebener Zeit einoder auszuschalten, müssen deshalb nur log&sub2; 8 = 3 Signalleitungen vorgesehen sein. Danach wird ein Voreinstellbefehl an einem Port D ausgegeben, und Voreinstelldaten (nämlich der Zählwert im Zyklus vorher) werden an einem Port C ausgegeben, so daß der Zähler 21 mit diesen Daten voreingestellt wird. Danach wird der Zählwert des Zählers 21 zu einem gewünschten Zeitpunkt dem Mikrocomputer 31 über dessen Port B eingegeben, um in dessen Speicher (entsprechend dem Speicher 5) gespeichert zu werden. Wenn der Mikrocomputer 31 danach einen Interrupt erhält, wird der nächste Kanal für dieselbe Prozedur gewählt.
Gemäß der vorliegenden Erfindung kann, wie oben beschrieben, eine einzige Prozessorschaltung 2 sequentiell von den SQUID-Flußfühlern 1 einer großen Anzahl von Kanälen Signale empfangen und die Intensität des Magnetflusses für jeden Kanal messen. Deshalb können kleine Magnetfelder von dem Objekt in den Kanälen im wesentlichen in derselben Zeit gemessen werden, und eine Prozessorschaltung 2 genügt für eine große Anzahl von SQUID-Flußfühlern 1, wodurch sich der Schaltungsaufwand verringert und die Vorrichtung klein gehalten werden kann.
Außerdem wird bei der vorliegenden Ausführung der Zähler 21 mit dem im vorangehenden Zyklus für jeden Kanal ermittelten Zählwert voreingestellt und beginnt seine Zähloperation unter Verwendung des voreingestellten Werts als Anfangswert. Das heißt, daß, wie in Fig. 4 dargestellt ist, ein Anfangszählwert (ein Zählwert zum Zeitpunkt, der mit (B) in Fig. 4 angegeben ist) des Zählers 21 gleich dem Zählwert wird (der zum Zeitpunkt, der mit (A) in Fig. 4 angegeben ist, vorliegende Zählwert), wie er im vorangehenden Zyklus desselben Kanals erhalten wurde. Auf diese Weise kann die Differenz zwischen der vorhandenen Magnetflußtärke zum Zeitpunkt, wenn der Zähler 21 seinen Zählvorgang beginnt und der Magnetflußstärke, die dem Anfangszählwert, entspricht, sehr klein gemacht werden. Deshalb kann der Zählwert, nachdem der Zähler 21 seinen Zählvorgang begonnen hat oder die Stärke eines Rückkoppelsignals sehr schnell einem der tatsächlichen Magnetflußstärke entsprechenden Wert folgen, wie der Übergang von (B) nach (C) in Fig. 4 deutlich macht.
Fig. 7 stellt eine zweite Ausführungsart der vorliegenden Erfindung dar. Diese Ausführungsart ist so angeordnet, daß ein Multiplexer 4-3 zwischen der Stromquelle 6 und den SQUID-Flußfühlern 1 verbunden ist und nacheinander den SQUIDs 13 in den SQUID-Flußfühlern 1 Wechselvorstrom zuführt und sequentiell erzeugte Impulssignale dem Zähler 21 eingegeben werden. Die Schaltzeiten des Multiplexers 4-3 können dieselben sein wie die des Multiplexers 4-1, der oben anhand der Fig. 3 beschriebenen ersten Ausführungsart. In anderer Hinsicht ist die zweite Ausführungsart dieselbe wie die erste Ausführung, so daß ihre Beschreibung überflüssig ist.
In der vorliegenden Ausführungsart wird genauso die Magnetflußstärke für jeden Kanal auf zeitserieller Basis gemessen und der im vorangehenden Zyklus erhaltene Zählwert für jeden Kanal im Zähler 21 voreingestellt, und sie erzielt somit dieselben Vorteile wie die erste Ausführungsart.
Als nächstes stellt Fig. 8 eine dritte Ausführungsart der vorliegenden Erfindung dar, und Fig. 9 veranschaulicht eine besondere Anordnung des Hauptteils der dritten Ausführungsart.
Wie in Fig. 8 dargestellt, ist die dritte Ausführung dieselbe wie die zweite, in Fig. 7 dargestellte Ausführung dahingehend, daß irgendeiner der SQUID-Flußfühler 1 vom Multiplexer 4-3 gewählt werden kann, unterscheidet sich jedoch hauptsächlich von der zweiten Ausführung darin, daß eine supraleitende Rückkoppelschaltung 8, die ein Schreibgate 81 und eine supraleitende Drosselspule 82 umfaßt für jeden Kanal statt der in Fig. 7 gezeigten Rückkoppelschaltung vorgesehen ist. Wie besonders Fig. 9 darstellt, speichert eine solche supraleitende Rückkoppelschaltung 8 magnetische Flußquanten entsprechend der Anzahl der von dem digitalen SQUID 13 des SQUID-Flußfühlers 1 ausgegebenen Impulssignale in der supraleitenden Drosselspule 82 mittels des Schreibgates 81 und legt dadurch der digitalen SQUID 13 Magnetfluß so an, daß die Anzahl der Impulssignale eine vorgegebene Anzahl annimmt (z. B. Null). Die Schaltung erzielt dieselbe Funktion wie die aus dem Zähler 21 und dem Digital/Analog-Wandler 22 bestehende Rückkopplungsschaltung, wie sie in den Fign. 3 und 7 gezeigt ist. Dieser Typ der supraleitenden Rückkoppelschaltung ist in Einzelheiten beispielsweise in "A Single-Chip SQUID Magnetometer", N. Fujimaki et al., IEEE Trans. Electron Device, Band 35, Nr. 12, Seiten 2412-2418, 1988 und in der japanischen Patentveröffentlichung Nr. 63-290979 beschrieben.
Mit der supraleitenden Rückkoppelschaltung 8 läßt sich keine digitale Rückkoppelgröße erzielen, und diese kann deshalb nicht im Speicher 5 gespeichert werden, wie es mit der Magnetflußstärke der Fall ist. Aus diesem Grund ist diese Ausführung so eingerichtet, daß Impulssignale von den SQUID-Flußfühlern 1, die durch die supraleitenden Rückkoppelschaltungen 8 der Rückkopplung unterworfen sind durch Vorverstärker 7 verstärkt werden und dann die Anzahl der Impulse nur eines vom Multiplexer 4-1 synchron zum Multiplexer 4-3 gewählten Kanals vom Zähler 21 gezählt werden, so daß dessen Zählwert im Speicher 5 gespeichert wird.
Die dritte Ausführungsart benötigt so viele supraleitende Rückkopplungsschaltungen 8 wie es Kanäle gibt. Im Vergleich mit dem Zähler 21 und dem Digital-Analog-Wandler 22 können allerdings das Schreibgate 81 und die supraleitende Drosselspule 82 unter Verwendung einer Josephson-Schaltung mit reduziertem Schaltungsumfang angeordnet sein und weniger Leistung verbrauchen (sie können auf einem Chip beispielsweise einer Größe von wenigen Millimetern x 10 mm zusammen mit SQUIDs angeordnet sein). Deshalb kann die dritte Ausführungsart geringeren Schaltungsumfang und Leistungsverbrauch als die erste und zweite Ausführungsart aufweisen. Zusätzlich wird die in der ersten und zweiten Ausführungsart verwendete Funktion der Voreinstellung des Zählers 21 nicht benötigt, da die supraleitende Drosselspule 82 die Rückkoppelgröße unverändert hält, bis ein neuer Impuls in sie eingeschrieben wird.
In den obigen Ausführungsarten werden Ausgangssignalimpulse von SQUID-Flußfühlern 1, die Kanälen 1 bis n zugeordnet sind, sequentiell geschaltet und einem einzelnen Zähler 21 zur sequentiellen Messung der Magnetflußstärke in jedem Kanal eingegeben. Alternativ können Änderungen dahingehend durchgeführt werden, daß mehrere Zähler 21 vorgesehen sind und die Kanäle in so viel Gruppen eingeteilt werden, wie Zähler vorhanden sind, so daß eine gleichzeitige Messung des Magnetflusses in den Gruppen erfolgt.
Gemäß der vorliegenden Erfindung werden, wie oben beschrieben wurde, Ausgangssignale einer Vielzahl von SQUID- Flußfühler wenigstens einer oder mehreren Prozessorschaltungen auf zeitserieller Basis zur Messung des Magnetflusses eingegeben. Demgemäß wurden für eine große Anzahl von SQUID-Flußfühlern nur eine oder wenige Prozessorschaltungen benötigt, und kleine Magnetfelder eines untersuchten Objekts, wie eines lebenden Körpers, können im wesentlichen zur gleichen Zeit gemessen und der Schaltungsumfang reduziert werden, um die Vorrichtung zu verkleinern.

Claims

1. Mehrkanal-SQUID ( Supraleitender Quanteninterferometer)-Flußmesser, der aufweist:

- eine Vielzahl von SQUID-Flußfühlern (1) zur Erfassung eines schwachen, von verschiedenen Teilen eines zu untersuchenden Objekts ausgehenden Magnetflusses, von denen jeder Fühler ein SQUID (13) enthält, das ein Ausgangssignal (S1, S2, S3, ...) erzeugt;

- einen Multiplexer (4; 4-1; 4-3), der die Ausgangssignale der Vielzahl der Fühler schaltet, um jedes der Ausgangssignale auf zeitserieller Grundlage zu extrahieren;

- Prozessorschaltungsmittel (2) zur Verarbeitung des extrahierten Ausgangssignals, um die Stärke des vom gewählten Fühler erfaßten Magnetflusses zu ermitteln, wobei die Prozessorschaltungsmittel Rückkoppelglieder aufweisen, die ein Rückkoppelsignal dem gewählten Fühler so zuführen, daß das Ausgangssignal des Fühlers einen vorgegebenen Wert annimmt; dadurch gekennzeichnet, daß

jedes der SQUIDs (13) ein digitaler SQUID-Flußfühler ist, der ein aus positiven oder negativen Impulsen abhängig von der Richtung des erfaßten Magnetflusses bestehendes Impulssignal ausgibt;

daß die Prozessorschaltungsmittel (2) gemeinsam für alle Fühler vorgesehen sind und einen Zähler (21) zum Zählen der Impulse im extrahierten Impulssignal enthalten; und

daß Speichermittel (5) zum Speichern des vom Zähler (21) gezählten Werts in einem jeweiligen Speicherbereich für den gewählten Fühler eingerichtet sind, wobei dieser Wert die vom Fühler erfaßte Magnetflußstärke in Einheiten der Stärke des Rückkoppelsignals darstellt; und

daß er Mittel (3) umfaßt zum Voreinstellen des Werts in dem Zähler (21).

2. Mehrkanal-SQUID-Flußmesser, der aufweist:

- eine Vielzahl von SQUID-Flußfühlern (1) zur Erfassung eines schwachen von verschiedenen Teilen eines zu untersuchenden Objekts ausgehenden Magnetflusses, von denen jeder Fühler ein SQUID (13) enthält, das ein Ausgangssignal (S1, S2, S3, ...) erzeugt;

- einen Multiplexer (4-1; 4-3) der die Ausgangssignale der Vielzahl der Fühler schaltet, um jedes dieser Ausgangssignale auf zeitserieller Grundlage zu extrahieren; und

- Rückkoppelglieder (8), die ein Rückkoppelsignal dem gewählten Fühler so anlegen, daß dessen Ausgangssignal einen vorgegebenen Wert annimmt;

dadurch gekennzeichnet, daß

- jedes der SQUIDs (13) ein digitaler SQUID-Flußfühler ist, der ein aus positiven oder negativen Impulsen abhängig von der Richtung des erfaßten Magnetflusses bestehendes Impulssignal ausgibt;

- ein Zähler (21) gemeinsam für alle Fühler zum Zählen der Impulse im extrahierten Impulssignal vorgesehen ist;

- Speichermittel (5) zum Speichern des vom Zähler (21) gewählten Werts in einem jeweiligen Speicherbereich für den gewählten Fühler eingerichtet sind, wobei dieser Wert die vom Fühler erfaßte Stärke des Magnetflusses darstellt;

- die Rückkoppelglieder durch eine supraleitende Rückkoppelschaltung (8) realisiert sind, die für jeden der Fühler (1) vorgesehen ist und Magnetflußquanten entsprechend dem vom jeweiligen Fühler ausgegebenen Impulssignal speichert, wobei das Rückkoppelsignal den Magnetflußquanten entspricht.

3. Flußmesser nach Anspruch 1 oder 2, bei dem der Multiplexer einen ersten Multiplexer (4-1) aufweist, der zum Empfang der von allen Fühlern (1) ausgegebenen Impulssignale verbunden ist und der eines der Impulssignale dadurch freigibt, daß er es mit dem Zähler (21) verbindet, wobei diese Verbindung in dem konstanten Zeitintervall geändert wird.

4. Flußmesser nach Anspruch 1 oder 2, bei dem der Multiplexer einen dritten Multiplexer (4-3) aufweist, der mit dem digitalen SQUID (13) jedes Fühlers (1) verbunden ist und eines der Impulssignale durch die Verbindung einer Vorstromquelle (6) nur mit dem digitalen SQUID des entsprechenden Fühlers freigibt, wobei diese Verbindung in dem konstanten Zeitintervall geändert wird.

5. Flußmesser nach Anspruch 1, bei dem die Rückkoppelglieder einen Digital/Analog-Wandler (22) zum Umsetzen des vom Zähler (21) gezählten Werts in einen Analogwert und einen zweiten Multiplexer (4-2) aufweisen, der synchron mit dem anderen Multiplexer (4-1, 4-3) arbeitet, um den Analogwert dem gewählten Fühler als Rückkoppelsignal zuzuführen.

6. Flußmesser nach Anspruch 4 und 2 in Kombination, wobei der Multiplexer weiterhin einen ersten Multiplexer (4-1) aufweist, der synchron mit dem dritten Multiplexer (4-3) arbeitet, um das freigegebene Impulssignal dem Zähler (21) einzuspeisen.

7. Flußmesser nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem der Zähler (21) ein Aufwärts-Abwärts-Zähler ist, der durch den Empfang eines positiven Impulssignals inkrementiert und den Empfang eines negativen Impulssignals dekrementiert wird.

8. Flußmesser nach Anspruch 1 oder 5, der weiterhin eine Steuerschaltung (3) zum Steuern der Multiplexer (4; 4-2 und 4-1 oder 4-3), des Zählers (21) und der Speichermittel (5) aufweist, die so betreibbar ist, daß sie die Multiplexer (4; 4-1; 4-3) zur wiederholten Freigabe des Impulssignals jedes Fühlers nacheinander veranlaßt, um einen Zyklus (t1, t2,...) durchzuführen und außerdem so, daß sie vor erneuter Freigabe desselben Impulssignals den Zähler (21) mit dem Zählwert des Zählers (21) der in dem Speichermittel (5) im vorangehenden Zyklus gespeichert wurde, voreinstellt.

9. Flußmesser nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem die Rückkoppelglieder (22, 4-2; 8) das Rückkoppelsignal dem gewählten Fühler so einspeisen, daß das freigegebene Impulssignal zu Null wird.

10. Flußmesser nach den Ansprüchen 1 und 9 in Kombination, bei dem jeder Fühler (1) mit einer Rückkoppelspule (12) ausgestattet ist, die das Rückkoppelsignal empfängt und in Reaktion darauf einen Magnetfluß so erzeugt, daß der vom digitalen SQUID (13) erfaßte Magnetfluß ausgelöscht wird.

11. Flußmesser nach Anspruch 2, bei dem jede supraleitende Rückkoppelschaltung (8) eine supraleitende Drosselspule (82), die mit dem genannten digitalen SQUID (13) versehen ist und ein Schreibgate (81) aufweist, welches die Magnetflußquanten der supraleitenden Drosselspule (82) zuführen.