DE10304225A1 - Measurement of very small magnetic field gradients using SQUID devices, whereby a magnetometer SQUID with a feedback look is used to compensate background field variations and a gradiometer SQUID is used to measure the gradient - Google Patents

Abstract

Method for measuring a magnetic field gradient in which the background magnetic field is maintained constant by use of a magnetometer (3) with a feed back loop. An independent claim is made for a device (1) for measuring a magnetic field gradient with a gradiometer (2) and a magnetometer arranged adjacent to each other. The magnetometer has a feedback loop in order to generate a constant homogeneous background magnetic field around the gradiometer. The invention relates particularly to the use of SQUID (super-conducting quantum interference device) devices as both gradiometer and magnetometer with both arranged in the same plane.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Messung eines Magnetfeldgradienten sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.The invention relates to a method for measuring a magnetic field gradient and a device for execution of the procedure.

Zur Messung von Magnetfeldern werden in den letzten Jahren aufgrund ihrer hohen Magnetfeldsensitivität immer häufiger SQUIDs (Supraleitende Quanten-Interferenz-Detektoren oder Superconducting Quantum Interference Devices) eingesetzt. SQUIDs stellen die derzeit empfindlichsten Magnetfeldsensoren dar und werden beispielsweise bei der Messung biomagnetischer Felder des Herzens (Magneto-Kardiogramme, MKG) und des Gehirns (Magneto-Enzephalogramme, MEG) eingesetzt. Diese Messungen werden in aufwendigen und teuren Schirmkabinen durchgeführt, die große äußere Umgebungsfelder vom SQUID fernhalten. Dies können natürliche Felder, wie beispielsweise das Erdfeld, aber auch künstliche, beispielsweise von elektrischen Maschinen oder vorbeifahrenden Autos etc. erzeugte Felder sein. Aufgrund der erforderlichen Schrmung und der damit verbundenen Kosten konnte sich diese SQUID-gestützte Technologie in normalen Arztpraxen bisher jedoch nicht etablieren.For measuring magnetic fields in recent years due to their high magnetic field sensitivity frequently SQUIDs (superconducting quantum interference detectors or superconducting Quantum interference devices). SQUIDs are currently most sensitive magnetic field sensors when measuring biomagnetic fields of the heart (magneto-cardiograms, MKG) and the brain (magneto-encephalograms, MEG). These measurements are carried out in complex and expensive umbrella cabins large external fields keep away from SQUID. These can be natural fields, such as the earth field, but also artificial, for example from generated electrical machines or passing cars etc. Fields. Because of the required curving and with it associated costs, this SQUID-based technology could turn out to be normal So far, however, have not established medical practices.

Darüber hinaus besteht ein großes Interesse, SQUIDs auch in solchen Anwendungsgebieten einzusetzen, wo externe Felder vom SQUID nicht ferngehalten werden können. Dies betrifft neben den Fällen, bei denen eine Schirmung technisch unmöglich ist auch die Fälle, bei denen das Vorhandensein des Erdfeldes für die Messung erforderlich wird. Unpraktikabel ist eine Schirmung beispielsweise auf dem großen Einsatzfeld der zerstörungsfreien Werkstoffprüfung (ZfP), wobei der Prüfling häufig ein Teil eines größeren Objektes, beispielsweise einer Brücke oder einer Kraftwerksanlage ist. Völlig ausgeschlossen ist eine Schirmung des Erdfeldes bei geomagnetischer oder archäologischer Prospektion. Hierbei werden entweder künstlich induzierte Felder oder kleine lokale Veränderungen des Erdmagnetfeldes gemessen, wodurch Aufschluss über die Zusammensetzung der Erde gewonnen werden soll.There is also a lot of interest Use SQUIDs in areas of application where external Fields cannot be kept away from the SQUID. In addition to the cases at for whom shielding is technically impossible is also the case where which require the presence of the earth's field for the measurement becomes. Shielding, for example, is impractical in the large field of application the non-destructive Materials testing (NDT), the examinee frequently part of a larger object, for example a bridge or a power plant. One is completely excluded Shielding the earth's field in geomagnetic or archaeological Prospecting. Here either artificially induced fields or small local changes of the earth's magnetic field, which provides information about the Composition of the earth to be extracted.

Bei vielen der oben genannten Einsatzgebiete werden SQUIDs nicht als Magnetometer verwendet, die das gesamte magnetische Feld am Ort des SQUID-Sensors messen. Vielmehr erfolgt eine Verwendung der SQUIDs als Gradiometer. Gradiometer messen den Feldgradienten, also den Unterschied des Magnetfeldes an zwei Orten. Letzteres bietet den Vorteil, dass der zu messende Feldunterschied, der im Bereich von einigen Femto-Tesla (1fT = 10^–15 T) liegen kann, nicht mehr vor einem Hintergrund des Erdfeldes in der Größenordnung von einigen Mikro-Tesla (typischerweise etwa 50 μT = 50∙10^–6 T) gemessen werden muss. Dies hat eine beträchtliche Reduzierung der Anforderungen an Dynamikumfang und Schnelligkeit der Informationsverarbeitung zur Folge, wodurch derart empfindliche Messungen vor einem stark gestörten Hintergrund überhaupt erst ermöglicht werden. In der Praxis besitzen SQUID-Gradiometer jedoch immer noch eine Restempfindlichkeit gegenüber homogenen Magnetfeldern. Als Maß für die Güte eines Gradiometers hinsichtlich dieser Magnetfeldunterdrückung dient die sogenannte Balance, ausgedrückt als Quotient von Empfindlichkeit gegenüber Gradientenfeldern und homogenen Feldern. In der Vergangenheit wurden große Anstrengungen unternommen, um hohe Balancen für SQUID-Gradiometer zu erreichen, insbesondere unter Berücksichtigung der vorgegebenen Bedingungen der Herstellungstechnologie der Gradiometer. Die Anforderungen an ein SQUID-Gradiometer werden noch erhöht, wenn es während der Messung im Erdfeld bewegt werden soll. Dies kann bei der zerstörungsfreien Werkstoffprüfung, aber auch in der archäologischen oder geomagnetischen Prospektion der Fall sein. Um die Einsatzbereitschaft und die große Sensitivität von SQUID-Gradiometern gegenüber den gesuchten Magnetfeldgradienten auch unter diesen Bedingungen zu gewährleisten, wurde in der Vergangenheit ebenfalls eine Reihe von Untersuchungen durchgeführt.In many of the areas of application mentioned above, SQUIDs are not used as magnetometers that measure the entire magnetic field at the location of the SQUID sensor. Rather, the SQUIDs are used as gradiometers. Gradiometers measure the field gradient, i.e. the difference in the magnetic field at two locations. The latter offers the advantage that the field difference to be measured, which can be in the range of a few femto-tesla (1fT = 10 ^-15 T), is no longer against a background of the earth's field in the order of magnitude of a few micro-tesla (typically around 50 μT) = 50 ∙ 10 ^–6 T) must be measured. This results in a considerable reduction in the requirements for dynamic range and speed of information processing, which makes such sensitive measurements possible in the first place against a strongly disturbed background. In practice, however, SQUID gradiometers still have a residual sensitivity to homogeneous magnetic fields. The so-called balance, expressed as the quotient of sensitivity to gradient fields and homogeneous fields, serves as a measure of the quality of a gradiometer with regard to this magnetic field suppression. In the past, great efforts have been made to achieve high balances for SQUID gradiometers, particularly taking into account the specified conditions of the gradiometer manufacturing technology. The requirements for a SQUID gradiometer are increased if it is to be moved during the measurement in the earth's field. This can be the case in non-destructive material testing, but also in archaeological or geomagnetic prospecting. In order to guarantee the operational readiness and the great sensitivity of SQUID gradiometers to the sought magnetic field gradients even under these conditions, a number of tests have also been carried out in the past.

Eine hohe Balance und die Einsatzfähigkeit während der Bewegung im Erdfeld sind insbesondere für SQUIDs aus Hochtemperatur-Supraleiter-Material (HTS, Einsatztemperatur um 77 K) relevant. Die gleiche Problematik ist jedoch auch für SQUIDs aus Tieftemperatur-Supraleiter-Material (TTS, Einsatztemperatur um 4 K) oder andere Magnetfeldsensoren interessant.A high balance and usability during the Movement in the earth's field are especially for SQUIDs made of high-temperature superconductor material (HTS, operating temperature relevant by 77 K). However, the same problem also applies to SQUIDs made of low-temperature superconductor material (TTS, operating temperature around 4 K) or other magnetic field sensors interesting.

Aus dem Stand der Technik ist eine Vielzahl von Lösungen bekannt, die auf Gradiometern mit SQUID-Sensoren beruhen und einzelne Aspekte der oben erwähnten Problematik behandeln. Sie werden den beiden oben formulierten Ansprüchen, hoch balanciert zu sein und Bewegungen im Erdfeld standzuhalten, jedoch nur in unterschiedlichem Maße gerecht. Die verschiedenen Grundtypen von SQUID-Gradiometer, die im folgenden skizziert und bewertet werden sollen, unterscheiden sich in der Art der Ankopplung der Gradiometer-Antenne an den Auslese-SQUID. Eine solche Ankopplung ist immer nötig, da der SQUID selbst aus physikalischen Gründen stets relativ klein gehalten sein muss. Gleichzeitig benötigt der SQUID jedoch eine geometrisch deutlich größere Fläche (Antenne) für eine genügend große Empfindlichkeit des Gesamtsensors gegenüber Magnetfeldern oder Magnetfeldgradienten.One is from the prior art Variety of solutions known that are based on gradiometers with SQUID sensors and individual Aspects of the above Treat problems. You will meet the two requirements set out above to be balanced and to withstand movements in the earth's field, however only to different degrees just. The various basic types of SQUID gradiometers that to be outlined and evaluated in the following how the gradiometer antenna is connected to the read-out SQUID. Such coupling is always necessary because the SQUID itself is off physical reasons must always be kept relatively small. At the same time the SQUID, however, has a geometrically significantly larger area (antenna) for a sufficiently high sensitivity of the overall sensor against magnetic fields or magnetic field gradients.

Die technologisch einfachste und damit insbesondere für HTS-SQUID-Gradiometer interessante Variante ist die direkte Kopplung der Gradiometer-Antenne an den Auslese-SQUID, die auch als galvanische Kopplung bezeichnet wird. Diese Variante ist deswegen so interessant, weil sie mit einer einzigen supraleitenden Schicht auskommt. Ein solches direkt gekoppeltes Gradiometer wird beispielsweise beschrieben in Zakosarenko V., Schmidl, F., Schneidewind, H., Dörrer, L., and Seidel, P., "Thin Film dc SQUID gradiometer using a single YBa₂Cu₃O₇__x layer, " Appl. Phys. Lett. 65 (1994) 779–780. Ein weiteres Gradiometer ist beschrieben in Daalmans G.M., Bär, L., Kühnl, M., Uhl, D., Selent, M., and Ramos, J., 'Single Layer YBaCuO-Gradiometer, " IEEE Trans. Appl. Supercond 5 (1995) 3109–3112. Darüber hinaus ist ein solches Gradiometer auch in V. Schultze, R. P. J. IJsselsteijn, R. Stolz, and V. Zakosarenko, "High T-c SQUIDs for unshielded measuring in disturbed environments, " Journal de Physique IV vol. 6, 367–372, 1996 dargestellt. Das Grundprinzip der darin beschriebenen direkt gekoppelten Parallelgradiometer beruht darauf, dass Magnetfelder unterschiedlicher Größe im parallel geschalteten Aufnehmerschleifen der Magnetfeldantenne einen entsprechend unterschiedlichen Abschirmstrom hervorrufen. Im Mittelsteg fließt dann die Differenz dieses Stromes, die damit dem Magnetfeldgradienten proportional ist. Dieser Differenzstrom erzeugt einen magnetischen Fluss, der vom SQUID, der als Magnetfluss-Spannungs-Wandler arbeitet, in eine Spannung umgewandelt wird, die als das eigentliche Messsignal dient. Aufgrund der Cosinus-förmigen Abhängigkeit der SQUID-Spannung vom magnetischen Fluss weist der SQUID eine nichtlineare Kennlinie auf. Daher wird eine Linearisierungsschaltung verwendet, die als Rückkoppelschleife arbeitet. Beim SQUID wird sie als Flusskoppelschleife (FLL – Flux Locked Loop) bezeichnet. Für ihre Realisierung wird die SQUID-Spannung über einen Widerstand und eine Spule angelegt. Der Widerstand wandelt die Spannung in Strom, die Spule den Strom in magnetischen Fluss. Dieser Fluss wird in den SQUID-Sensor so eingekoppelt, dass er den durch das äußere, zu messende Magnetfeld erzeugten Fluss kompensiert. Der SQUID-Sensor arbeitet so als Nulldetektor, seine Kennlinie ist linearisiert.The technologically simplest and therefore particularly interesting for HTS-SQUID gradiometers is the direct coupling of the gradiometer antenna to the read-out SQUID, which is also referred to as galvanic coupling. This variant is so interesting because it manages with a single superconducting layer. Such a directly coupled gradiometer is used, for example described in Zakosarenko V., Schmidl, F., Schneidewind, H., Dörrer, L., and Seidel, P., "Thin Film dc SQUID gradiometer using a single YBa ₂ Cu ₃ O ₇ _ _x layer," Appl. Phys. Lett. 65 (1994) 779-780. Another gradiometer is described in Daalmans GM, Bär, L., Kühnl, M., Uhl, D., Selent, M., and Ramos, J., 'Single Layer YBaCuO Gradiometer, "IEEE Trans. Appl. Supercond 5 (1995) 3109-3112 In addition, such a gradiometer is also found in V. Schultze, RPJ IJsselsteijn, R. Stolz, and V. Zakosarenko, "High Tc SQUIDs for unshielded measuring in disturbed environments," Journal de Physique IV vol. 6 , 367–372, 1996. The basic principle of the directly coupled parallel gradiometers described therein is based on the fact that magnetic fields of different sizes produce a correspondingly different shielding current in the sensor loop of the magnetic field antenna connected in parallel. The difference of this current then flows in the central web, which is therefore proportional to the magnetic field gradient This differential current creates a magnetic flux, which is converted by the SQUID, which works as a magnetic flux-to-voltage converter, into a voltage, which is the actual one Measurement signal is used. Due to the cosine dependence of the SQUID voltage on the magnetic flux, the SQUID has a non-linear characteristic. Therefore, a linearization circuit is used that works as a feedback loop. With SQUID, it is referred to as a flux-locked loop (FLL). For their implementation, the SQUID voltage is applied via a resistor and a coil. The resistance converts the voltage into current, the coil converts the current into magnetic flux. This flux is coupled into the SQUID sensor in such a way that it compensates for the flux generated by the external magnetic field to be measured. The SQUID sensor works as a zero detector, its characteristic is linearized.

Aus dieser Notwendigkeit der Flussrückkopplung resultiert der erste Nachteil des direkt gekoppelten Gradiometers. Die Flusskoppelschleife muss den zu messenden Fluss, also beim Gradiometer den durch den Magnetfeldgradienten erzeugten Fluss, rückkoppeln. Mit anderen Worten muss die Rückkoppelspule den äußeren Magnetfeldgradienten kompensieren. Dies kann beispielsweise durch eine Rückkoppelspule in Form einer liegenden Acht unter der Gradientenantenne oder einer einfachen Spule unter einer der beiden Aufnehmerschleifen der Antenne erfolgen. Mit einer derartigen Anordnung ist es aber nicht möglich, außen umfließende Abschirmströme zu kompensieren, die durch äußere homogene Magnetfelder erzeugt werden. Insbesondere bei Bewegung im (homogenen) Erdfeld können außen umlaufende Abschirmströme entstehen, welche die Funktion des Gradiometers beeinträchtigen oder sogar völlig zerstören können.From this need for flow feedback the first disadvantage of the directly coupled gradiometer results. The flow coupling loop must have the flow to be measured, i.e. the gradiometer feed back the flux generated by the magnetic field gradient. In other words, the feedback coil the external magnetic field gradient compensate. This can be done, for example, by means of a feedback coil in the form of a figure eight under the gradient antenna or one simple coil under one of the two pickup loops of the antenna respectively. With such an arrangement, however, it is not possible to compensate for shielding currents flowing around the outside, by homogeneous outer Magnetic fields are generated. Especially when moving in (homogeneous) Earth field can outer circumferential shielding arise which impair the function of the gradiometer or even completely to destroy can.

Der zweite gravierende Nachteil des direkt gekoppelten Gradiometers ist seine schlechte Balance. Sowohl die Größe des Signals, das aus der Messung des differentiellen Abschirmstroms und damit dem zu messenden Magnetfeldgradienten resultiert, als auch die Empfindlichkeit des Auslese-SQUIDs selbst gegenüber homogenen Magnetfeldern sind fest mit der geometrischen Größe des SQUIDs verknüpft. Daraus resultiert eine ziemlich feste Limitierung der erreichbaren Balance auf Werte um 100. Diese schlechte Balance des direkt gekoppelten Gradiometers kann durch eine Modifikation der Auslese-SQUIDs behoben werden, wie sie beispielsweise in A. Eulenburg, E. J. Romans, C. Carr, A. J. Millar, G. B. Donaldson, and C. M. Pegrum, „Highly balanced long-baseline single-layer high-T-c superconducting quantum interference device gradiometer, " Appl. Phys. Lett. 75, pp. 2301–2303, 1999 beschrieben wird. Danach werden in der schmalen Verbindungsleitung im Zentrum der Gradiometerantenne zwei gegensinnig orientierte identische Auslese-SQUIDs integriert. Durch ihre gegensinnige Anordnung messen diese SQUIDs zwar homogene Magnetfelder in gleicher Weise wie oben beschrieben. Der in der Gradiometerantenne erzeugte Abschirmstrom erzeugt jedoch einen gegensinnig orientierten Fluss in den SQUIDs. Bei einer Subtraktion der in separaten Flusskoppelschleifen erzeugten SQUID-Signale hebt sich das den homogenen Magnetfeldern entsprechende Signal auf. Das den Gradienten entsprechende Signal addiert sich. Auf diese Weise wird die Balance deutlich erhöht. Das Problem der außen um die Magnetfeldantenne umlaufenden Abschirmströme, verursacht durch homogene Magnetfelder, wird durch diese Konfiguration jedoch auch nicht gelöst.The second serious disadvantage of the directly coupled gradiometer is its poor balance. Either the size of the signal, that from the measurement of the differential shielding current and thus the results in magnetic field gradients to be measured, as well as sensitivity the read-out SQUID itself homogeneous magnetic fields are fixed with the geometric size of the SQUID connected. This results in a fairly firm limitation on the achievable Balance to values around 100. This bad balance of the directly coupled Gradiometers can be fixed by modifying the read-out SQUIDs as described, for example, in A. Eulenburg, E. J. Romans, C. Carr, A.J. Millar, G.B. Donaldson, and C.M. Pegrum, "Highly balanced long-baseline single-layer high-T-c superconducting quantum interference device gradiometer, "Appl. Phys. Lett. 75, pp. 2301-2303, 1999 is described. Then in the narrow connecting line in the center of the gradiometer antenna, two identical, oriented in opposite directions Readout SQUIDs integrated. Due to their opposite arrangement, they measure SQUIDs have homogeneous magnetic fields in the same way as described above. However, the shielding current generated in the gradiometer antenna generates an oppositely oriented flow in the SQUIDs. With a subtraction the SQUID signals generated in separate flow coupling loops rise the signal corresponding to the homogeneous magnetic fields. That the Signal corresponding to gradients is added. That way the balance increased significantly. The problem of the outside shielding currents circulating around the magnetic field antenna, caused by homogeneous Magnetic fields, however, is not solved by this configuration either.

Die einfachste Möglichkeit, ein SQUID-Gradiometer herzustellen, verzichtet auf eine zusätzlich angekoppelte Magnetfeldantenne und nutzt hierfür lediglich die Fläche des SQUIDs selbst. Abgesehen davon, dass diese Variante keine große Magnetfeldempfindlichkeit ermöglicht, bleiben die gleichen Probleme mit umlaufenden Abschirmströmen wie bei Gradiometern mit direkt gekoppelter Antenne bestehen, solange man die Beschränkung auf eine einzelne supraleitende Lage nicht aufhebt. Bei Verwendung mehrerer supraleitender Lagen eröffnen sich mehr Möglichkeiten, die Probleme der Balance und der umlaufenden Abschirmströme zu lösen. Die Magnetfeldantenne kann beispielsweise in Form eines Seriengradiometers ausgelegt werden, wie dies in V. Schultze, R. IJsselsteijn, A. Chwala, N. Oukhanski, V. Zakosarenko, and H. G. Meyer, "HTS SQUID gradiometer for application without shielding, " Supercond. Sci. Technol. 15, 120–125, 2002 beschrieben ist. Dabei lausen die Verbindungsleitungen der beiden Aufnehmerschleifen des Gradiometers über Kreuz, wodurch umlaufende Abschirmströme, hervorgerufen durch homogene Magnetfelder, a priori vermieden werden. Die Kreuzung benötigt eine zweite supraleitende Lage, wodurch sich wiederum die Möglichkeit ergibt, die Kopplung der Magnetfeldantenne an den SQUID sehr effektiv zu gestalten. Sie erfolgt über eine Einkoppelspule, die in die Gradiometerantenne integriert ist und gegenüber dem Auslese-SQUID positioniert wird. Der Preis für die effektive Einkopplung über die integrierte Spule ist die relativ große Fläche des Auslese-SQUIDs, welche aufgrund ihrer Empfindlichkeit gegenüber homogenen Magnetfeldern wieder eine schlechte Balance hervorruft.The simplest way to produce a SQUID gradiometer does without an additional coupled magnetic field antenna and only uses the surface of the SQUID itself. Apart from the fact that this variant does not allow great sensitivity to magnetic fields, the same problems with circulating shielding currents as with gradiometers with directly coupled remain Antennas exist as long as the restriction to a single superconducting layer is not removed. Using several superconducting layers opens up more possibilities to solve the problems of balance and the circulating shielding currents. The magnetic field antenna can be designed, for example, in the form of a series gradiometer, as described in V. Schultze, R. IJsselsteijn, A. Chwala, N. Oukhanski, V. Zakosarenko, and HG Meyer, "HTS SQUID gradiometer for application without shielding," Supercond. Sci. Technol. 15, 120-125, 2002. The connecting lines of the two transducer loops of the gradiometer cross over each other, which means that circumferential shielding currents caused by homogeneous magnetic fields are avoided a priori. The crossing requires a second superconducting layer, which in turn gives the possibility of designing the coupling of the magnetic field antenna to the SQUID very effectively. It is done via a coupling coil, which is integrated in the gradiometer antenna and is positioned opposite the read-out SQUID. The price for the effective coupling via the integrated coil is the relatively large area of the read-out SQUID, which again causes a poor balance due to its sensitivity to homogeneous magnetic fields.

Bei dem in V. Schultze, R. IJsselsteijn, A. Chwala, N. Oukhanski, V. Zakosarenko, and H. G. Meyer, "HTS SQUID gradiometer for application without shielding, " Supercond. Sci. Technol. 15, 120–125, 2002 beschriebenen Gradiometer ist deshalb ein weiterer SQUIDs vorhanden. Er ist in einer der beiden Aufnehmerschleifen des Gradiometers so angeordnet, dass er dort das homogene Magnetfeld über eine separate Flusskoppelschleife misst. Dessen Signal wird gewichtet vom Gradiometersignal elektronisch subtrahiert. Dadurch wird das vom homogenen Magnetfeld hervorgerufene Signal aus dem Gradiometersignal weitgehend eliminiert und eine gute Balance erreicht.With the in V. Schultze, R. IJsselsteijn, A. Chwala, N. Oukhanski, V. Zakosarenko, and H.G. Meyer, "HTS SQUID gradiometer for application without shielding, "Supercond. Sci. Technol. 15, 120-125, 2002 described gradiometer there is therefore another SQUID. It is arranged in one of the two sensor loops of the gradiometer that there the homogeneous magnetic field via a separate flux coupling loop measures. Its signal is weighted electronically by the gradiometer signal subtracted. This is what is caused by the homogeneous magnetic field Signal largely eliminated from the gradiometer signal and one good balance achieved.

Mit Hochtemperatur-Supraleiter-Material ist eine vollständig integrierte Form des in dieser Schrift offenbarten Gradiometers technologisch nur sehr schwer ausführbar. Deshalb wird sie vorzugsweise in einer Flip-Chip-Konfiguration ausgeführt. Dies bedeutet, dass die SQUIDs einerseits und die Gradiometerantenne mit der Einkoppelspule andererseits auf zwei verschiedenen Substraten hergestellt sind, die Gesicht an Gesicht gegeneinander gepresst werden. Aus dieser Flip-Chip-Bauweise ergibt sich wiederum das Problem, dass es praktisch nicht möglich ist, den Flip-Chip-Aufbau mit exakt parallelen Substraten zu realisieren. Daraus resultieren Fehlsignale, wenn ein homogenes Magnetfeld von der Seite angreift, so dass die Balance wieder verschlechtert wird.With high temperature superconductor material is a complete integrated form of the gradiometer disclosed in this document technologically very difficult to carry out. Therefore it is preferred in a flip-chip configuration executed. This means that the SQUIDs on the one hand and the gradiometer antenna with the coupling coil on the other hand on two different substrates are produced, the face to face pressed against each other become. From this flip-chip design again there is the problem that it is practically impossible to implement the flip-chip structure with exactly parallel substrates. This results in false signals if a homogeneous magnetic field from attacks the side, so that the balance is deteriorated again.

Ein vollständig integrierter Aufbau, der zur Lösung einer Vielzahl der beschriebenen Probleme dienen kann, ist in R. Stolz, L. Fritzsch, and H. G. Meyer "LTS SQUID sensor with a new configuration ", Supercond. Sci. Technol. 12, 806–808, 1999 beschrieben. Die dort skizzierte Lösung ist jedoch auf die Tieftemperatur-Supraleiter-Technologie beschränkt. Eine Übertragung auf Hochtemperatur-Supraleiter-Technologie erscheint aus derzeitiger Sicht auf längere Zeit nicht realisierbar.A fully integrated structure that to the solution can serve a variety of the problems described is in R. Stolz, L. Fritzsch, and H.G. Meyer "LTS SQUID sensor with a new configuration", Supercond. Sci. Technol. 12, 806-808, 1999 described. However, the solution outlined there is based on low-temperature superconductor technology limited. A transfer on current high-temperature superconductor technology appears View of longer Time not realizable.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Messung eines Magnetfeldgradienten zu ermöglichen, die unempfindlich gegenüber homogenen Magnetfeldern ist. Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren nach Patentanspruch 1 sowie durch eine Vorrichtung nach Patentanspruch 6 gelöst.The object of the invention is a Measurement of a magnetic field gradient to make it insensitive across from is homogeneous magnetic fields. This task is accomplished through a process according to claim 1 and by a device according to claim 6 solved.

Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zur Messung eines Magnetfeldgradienten vorgeschlagen, bei dem für die Messung des Magnetfeldgradienten das homogene Hintergrundmagnetfeld durch ein Magnetometer mit Rückkoppelschleife konstant gehalten wird. Zugleich wird eine entsprechende Messvorrichtung vorgeschlagen, die ein Gradiometer zur Messung des Magnetfeldgradienten und ein Magnetometer mit Rückkoppelschleife zur Erzeugung eines konstanten homogenen Hintergrundmagnetfeldes am Ort des Gradiometers umfasst. Um eine möglichst große Magnetfeldgradientenempfindlichkeit zu erreichen werden als Magnetfeldsensoren bzw. Magnetfeldgradientensensoren vorzugsweise SQUIDs verwendet, da sie die beste derzeit mögliche Sensitivität gegenüber Magnetfeldern und deren Gradienten besitzen. Selbstverständlich kann die erfindungsgemäße Lösung jedoch auch mit anderen Magnetfeldsensoren realisiert werden. Der gleichzeitige Betrieb beider Sensoren für Gradiometer und Magnetometer erfordert getrennte Rückkopplungen, also Magnetfeldkompensationen. Dies wird bei der vorliegenden Erfindung derart gelöst, dass sich die Rückkopplungen nicht gegenseitig beeinflussen, Ein Übersprechen zwischen dem Gradiometer und dem Magnetometer, etwa durch die gegenseitige Modulation der Rückkoppelfelder, wird vermieden.According to the invention, a method for measurement of a magnetic field gradient proposed for the measurement of the magnetic field gradient through a homogeneous background magnetic field Magnetometer with feedback loop is kept constant. At the same time, a corresponding measuring device proposed a gradiometer to measure the magnetic field gradient and a feedback loop magnetometer to generate a constant, homogeneous background magnetic field at the location of the gradiometer. The greatest possible magnetic field gradient sensitivity can be achieved as magnetic field sensors or magnetic field gradient sensors preferably uses SQUIDs because they have the best sensitivity to magnetic fields currently possible and have their gradients. Of course, the solution according to the invention can can also be realized with other magnetic field sensors. The simultaneous Operation of both sensors for Gradiometer and magnetometer require separate feedback, so magnetic field compensation. This will be the case with the present invention so solved that the feedback do not affect each other, crosstalk between the gradiometer and the magnetometer, for example through the mutual modulation of the feedback fields, is avoided.

Mit der Erfindung wird es insbesondere möglich, die bisherigen Nachteile der direkt gekoppelten Gradiometer zu vermeiden. Es werden empfindliche Magnetfeldgradientenmessungen auch in Anwesenheit eines großen homogenen Hintergrundmagnetfeldes oder selbst bei Bewegung in diesem Feld möglich. Die Erfindung ermöglicht eine wesentlich verbesserte Messqualität bei allen Einsatzfällen, in denen externe Felder vom Magnetfeldgradientensensor nicht ferngehalten werden können, wie der zerstörungsfreien Werkstoffprüfung oder der geomagnetischen oder archäologischen Prospektion. Insbesondere während Messungen im Erdfeld mit einem sich bewegenden Gradiometer kann mit Hilfe der Erfindung die Einsatzbereitschaft und die große Sensitivität des Gradiometers gegenüber den gesuchten Magnetfeldgradienten erhalten werden. Durch die Erfindung werden zum einen unzulässig große Abschirmströme vermieden. Zum anderen wird eine hohe Balance gewährleistet. So konnten Balance-Werte von 3800 erzielt werden. Dies stellt eine drastische Verbesserung gegenüber dem Balance-Wert von bestenfalls etwa 100 dar, den man für derartige direkt gekoppelte Gradiometer bisher erreichen konnte. Wie Versuche gezeigt haben, bleibt die hohe Balance auch bei Bewegungen im Erdfeld bestehen. Von besonderem Vorteil ist auch die konstruktiv vorteilhafte und einfache Ausgestaltung der Messvorrichtung, die gegenüber herkömmlichen Systemen eine geringe Fehleranfälligkeit aufweist. Die Erfindung kann sowohl mit direkt gekoppelten Gradiometern als auch mit induktiv gekoppelten Gradiometers durchgeführt werden.With the invention it is particularly possible, to avoid the previous disadvantages of the directly coupled gradiometer. Sensitive magnetic field gradient measurements are made even in the presence of a big one homogeneous background magnetic field or even when moving in it Field possible. The invention enables a significantly improved measurement quality in all applications, in which external fields are not kept away from the magnetic field gradient sensor can be like the non-destructive Materials testing or geomagnetic or archaeological prospecting. In particular while Measurements in the earth's field with a moving gradiometer can with the help of the invention, the operational readiness and the great sensitivity of the gradiometer across from the magnetic field gradient sought can be obtained. By the invention become inadmissible on the one hand size shielding avoided. On the other hand, a high balance is guaranteed. So balance values of 3800 could be achieved. This represents one drastic improvement over the balance value of at best about 100, which one for such directly coupled gradiometers. Like attempts have shown, the high balance remains even when moving in the earth's field consist. The structurally advantageous and is also of particular advantage simple design of the measuring device compared to conventional Systems have a low susceptibility to errors having. The invention can be used both with directly coupled gradiometers as well as with inductively coupled gradiometers.

Zum Fernhalten großer äußerer Umgebungsfelder vom Magnetfeldgradientensensor sind keine aufwendigen und teuren Schirmungen mehr erforderlich. Der Einsatz von SQUIDs, beispielsweise bei biomagnetischen Anwendungen in Arztpraxen, wird daher auch mit verhältnismäßig geringem Aufwand möglich.To keep large external fields away from the magnetic field gradient sensor, complex and expensive shielding is no longer necessary. The use of SQUIDs, for example in biomagnetic applications in medical practices, is therefore possible with relatively little effort.

Die erfindungsgemäße Lösung ist besonders vorteilhaft für eine Verwendung mit Hochtemperatur-Supraleiter-Technologie geeignet, ohne jedoch hierauf beschränkt zu sein. Sie kann gleichermaßen auch mit Tieftemperatur-Supraleiter-Technologie realisiert werden.The solution according to the invention is particularly advantageous for one Suitable for use with high-temperature superconductor technology, without being limited to this to be. It can equally well with low-temperature superconductor technology.

Besonders vorteilhaft ist die Verwendung der Erfindung für einlagige SQUID-Sensoren, realisiert mit HTS-Technologie, da es hierzu bisher keine zufriedenstellende Lösung für die Realisierung von Gradiometern gibt, die im Erdfeld (stationär oder in Bewegung) einsetzbar sind. Aufgrund des einfachen Aufbaus können derartige Meßsysteme auf einem einzigen Chip realisiert werden.The use is particularly advantageous of the invention for single-layer SQUID sensors, realized with HTS technology since it So far no satisfactory solution for the realization of gradiometers exist in the earth field (stationary or in motion) can be used. Because of the simple structure can such measuring systems can be realized on a single chip.

Weitere Vorteile, Besonderheiten und zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen oder deren Unterkombinationen.Other advantages, special features and appropriate further training the invention result from the subclaims or their sub-combinations.

Die Erfindung wird nachstehend an Hand der Zeichnungen und der Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen:The invention is set out below Hand of the drawings and the exemplary embodiments explained in more detail. It demonstrate:

1: eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung in Draufsicht, 1 : a schematic representation of a device according to the invention in plan view,

2: eine schematische Darstellung des Auslese-SQUIDs des in 1 gezeigten Gradiometers, 2 : a schematic representation of the read-out SQUID of the in 1 shown gradiometer,

3: eine schematische Darstellung des Auslese-SQUIDs des in 1 gezeigten Magnetometers, 3 : a schematic representation of the read-out SQUID of the in 1 shown magnetometer,

4: eine schematische Darstellung der in 1 gezeigten Vorrichtung mit Rückkoppelschleifen in Draufsicht, 5: eine schematische Darstellung der in 1 gezeigten Vorrichtung mit Rückkoppelschleifen in einer Seitenansicht. 4 : a schematic representation of the in 1 shown device with feedback loops in plan view, 5 : a schematic representation of the in 1 shown device with feedback loops in a side view.

Die in 1 gezeigte Messvorrichtung 1 umfast ein direkt gekoppeltes Gradiometer 2 sowie ein hierzu benachbart angeordnetes direkt gekoppeltes Magnetometer 3. Bei dem Parallelgradiometer 2 entsprechend dem nachfolgend beschriebenen Ausführungsbeispiel kreuzt die zur Realisierung der Josephson-Kontakte 18 notwendige Korngrenze die Magnetfeldantenne 4. Bereits bei kleinster Bewegung im Erdfeld würde der daraus resultierende Abschirmstrom im äußeren Ring der Antenne dazu führen, dass der kritische Strom dieser Kreuzung überschritten und die Antenne nicht mehr funktionieren würde. Das benachbart angeordnete Magnetometer 3 hält durch seine Rückkoppelschleife die Normalkomponente des homogenen Magnetfeldes am Ort der beiden Sensoren hingegen konstant.In the 1 shown measuring device 1 includes a directly coupled gradiometer 2 and a directly coupled magnetometer arranged adjacent to it 3 , With the parallel gradiometer 2 in accordance with the exemplary embodiment described below, crosses over to realize the Josephson contacts 18 necessary grain boundary the magnetic field antenna 4 , Even with the slightest movement in the earth's field, the resulting shielding current in the outer ring of the antenna would result in the critical current of this intersection being exceeded and the antenna no longer functioning. The adjacent magnetometer 3 keeps the normal component of the homogeneous magnetic field at the location of the two sensors constant due to its feedback loop.

Das Gradiometer 2 weist eine breite Gradiometerantenne 4 auf, in deren Zentrum sich eine schmale Verbindungsleitung 5 befindet, in welche als Sensor ein Gradiometer-Auslese-SQUID 6 integriert ist. Die beiden Anschlüsse 7 des Auslese-SQUIDs 6 sind als Kästchen in den Aufnehmerschleifen der Gradiometerantenne 4 symbolisiert. Das Gradiometer 2 umfasst zusätzlich die für seinen Betrieb notwendige Elektronik (nicht dargestellt).The gradiometer 2 has a wide gradiometer antenna 4 at the center of which is a narrow connecting line 5 in which a gradiometer read-out SQUID 6 is integrated. The two connections 7 the read-out SQUID 6 are as boxes in the transducer loops of the gradiometer antenna 4 symbolizes. The gradiometer 2 additionally includes the electronics necessary for its operation (not shown).

Das Magnetometer 3 weist zwei breite Magnetometerantennen 8 auf. Im Zentrum befinden sich schmale Verbindungsleitungen 9. In diese Verbindungsleitungen 9 ist als Sensor ein Magnetometer-Auslese-SQUID 10 integriert. Die am Magnetometer 3 außen angebrachten Anschlüsse 11 des Magnetometer-SQUIDs 10 sind wiederum durch Kästchen schematisch dargestellt. Zur Vereinfachung der Darstellung ist auch hier die erforderliche Elektronik nicht abgebildet.The magnetometer 3 has two wide magnetometer antennas 8th on. There are narrow connecting lines in the center 9 , In these connecting lines 9 is a magnetometer read-out SQUID 10 integrated. The one on the magnetometer 3 externally attached connections 11 of the magnetometer SQUID 10 are again shown schematically by boxes. To simplify the illustration, the required electronics are not shown here either.

Sowohl Auslese-SQUID 6 des Gradiometers 2 als auch der Auslese-SQUID 10 des Magnetometers 3 sind einlagig realisiert. Die 2 und 3 zeigen vergrößert die Auslese-SQUIDs 6, 10 von Gradiometer 2 und Magnetometer 3.Both readout SQUID 6 of the gradiometer 2 as well as the read-out SQUID 10 of the magnetometer 3 are realized in one layer. The 2 and 3 show enlarged readout SQUIDs 6 . 10 by gradiometer 2 and magnetometer 3 ,

Erfindungsgemäß sind Gradiometer 2 und Magnetometer 3 sehr nahe zueinander angeordnet, beispielsweise auf einem gemeinsamen Substrat (nicht dargestellt), so dass sie einen integrierten Mess-Chip bilden. Die Magnetfeldgradienten-Messvorrichtung 1 umfasst somit zwei Sensoren 6, 10 (Kanäle), die sich an nahezu dem gleichen Ort befinden.Gradiometers are in accordance with the invention 2 and magnetometer 3 arranged very close to each other, for example on a common substrate (not shown), so that they form an integrated measuring chip. The magnetic field gradient measuring device 1 thus comprises two sensors 6 . 10 (Channels) that are in almost the same place.

Eine gegenseitige Beeinflussung beider Kanäle wird erfindungsgemäß durch die Rückkopplung des Magnetometers 3 verhindert. Die Rückkopplung des Magnetometerkanals schafft mit anderen Worten einen Raum, in dem das homogene Magnetfeld konstant gehalten wird, der magnetische Fluss also gleich Null ist. In diesem quasi feldfreien Raum befindet sich auch der Gradiometer-SQUID 6, der so den Magnetfeldgradienten messen kann, ohne durch große homogene Magnetfelder belastet zu sein. Die beiden SQUID-Sensoren 6, 10 liegen dabei derart nahe beieinander, dass sie das gleiche Feld der Rückkopplung des Magnetometers 3 sehen.Mutual influencing of both channels is achieved according to the invention by the feedback of the magnetometer 3 prevented. In other words, the feedback of the magnetometer channel creates a space in which the homogeneous magnetic field is kept constant, ie the magnetic flux is zero. The gradiometer SQUID is also located in this quasi field-free space 6 , which can measure the magnetic field gradient without being burdened by large homogeneous magnetic fields. The two SQUID sensors 6 . 10 are so close together that they have the same field of feedback from the magnetometer 3 see.

Das SQUID-Gradiometer 2 ist als direkt gekoppeltes Gradiometer ausgelegt, dessen Rückkopplung über eine Flusskoppelschleife (FLL) erfolgt. Dabei wird eine gradiometrisch geformte Rückkoppelspule 12 (Leiterschleife) in Form einer unter dem SQUID 6 liegenden Acht verwendet (vgl. 4). Dadurch wird ein Gradientenfeld erzeugt, das den äußeren, zu messenden Magnetfeldgradienten kompensiert.The SQUID gradiometer 2 is designed as a directly coupled gradiometer, the feedback of which takes place via a flux coupling loop (FLL). This creates a gradiometrically shaped feedback coil 12 (Conductor loop) in the form of a below the SQUID 6 horizontal eight used (cf. 4 ). This creates a gradient field that compensates for the external magnetic field gradient to be measured.

Das SQUID-Magnetometer 3 soll von diesem Rückkoppelfeld des Gradiometers 2 nichts spüren, um das homogene Magnetfeld ungestört messen zu können. Dies wird durch die spezielle Form der Auslegung des Magnetometers 3 erreicht. Die Magnetometerantenne 8 besteht nicht wie üblich aus einer einfachen Schleife, beispielsweise der linken Hälfte des Gradiometers 2. Eine exakte Anordnung der beiden Auslese-SQUIDs 6, 10 von Gradiometer 2 und Magnetometer 3 und ihrer Rückkoppelschleifen derart, dass die Felder der Rückkoppelspule des Gradiometers 2 nicht in das Magnetometer 3 eingreifen, wäre dann nämlich kaum realisierbar. Dies hätte zur Folge, dass dieses Feld im Magnetometerkanal fälschlicherweise mit zurückgekoppelt werden würde. Stattdessen besteht die Magnetometerantenne 8 aus zwei separaten Schleifen 13, 14 die symmetrisch zum Auslese-SQUID 6 angeordnet sind. Bei einem homogenen äußeren Feld erzeugen die Abschirmströme in den beiden Antennenschleifen 13, 14 magnetische Flüsse im Auslese-SQUID 6, die sich konstruktiv überlagern und daher messbar sind. Der Sensor ist somit empfindlich gegenüber homogenen Feldern. Die in der Rückkoppelspule 12 des Gradiometers 2 erzeugten Felder hingegen verursachen entgegengesetzt gerichtete Abschirmströme, so dass Flüsse entstehen, die sich gegenseitig kompensieren. Im Ergebnis wird somit kein Fluss im Auslese-SQUID 6 erzeugt. Der Magnetometer-SQUID 10 arbeitet also völlig unbeeinflusst von Magnetfeldgradienten. In den 2 und 3 sind die entsprechenden Ströme schematisch eingezeichnet. Dabei sind die von der Rückkopplung des Gradiometers 2 erzeugten Ströme 15 mit durchbrochenen Linien und die von homogenen Feldern hervorgerufenen Abschirmströme 16 mit strichpunktierten Linien dargestellt.The SQUID magnetometer 3 should be from this feedback field of the gradiometer 2 feel nothing to be able to measure the homogeneous magnetic field undisturbed. This is due to the special design of the magnetometer 3 reached. The magnetometer antenna 8th does not consist of a simple loop as usual, for example the left half of the gradiometer 2 , An exact arrangement of the two read-out SQUIDs 6 . 10 by gradiometer 2 and magnetometer 3 and their feedback loops such that the fields of the feedback coil of the gradiometer 2 not in the magnetometer 3 to intervene would then hardly be feasible. The result of this would be that this field in the magnetometer channel would also be incorrectly fed back. Instead, there is the magnetometer antenna 8th from two separate loops 13 . 14 which are symmetrical to the read-out SQUID 6 are arranged. With a homogeneous external field, the shielding currents generate in the two antenna loops 13 . 14 magnetic fluxes in the read-out SQUID 6 that overlap constructively and are therefore measurable. The sensor is therefore sensitive to homogeneous fields. The one in the feedback coil 12 of the gradiometer 2 generated fields, on the other hand, cause opposite shielding currents, so that rivers arise that compensate each other. As a result, there is no flow in the read-out SQUID 6 generated. The magnetometer SQUID 10 works completely unaffected by magnetic field gradients. In the 2 and 3 the corresponding currents are shown schematically. Here are the feedback from the gradiometer 2 generated currents 15 with broken lines and the shielding currents caused by homogeneous fields 16 shown with dash-dotted lines.

Die Rückkopplung des Magnetometer-SQUIDs 10 erfolgt über eine hinreichend große Spule, die das homogene Magnetfeld über der Gesamtanordnung aus Gradiometer 2 und Magnetometer 3 kompensiert. Das hat zwei Folgen für das Gradiometer 2: Zum einen kommt die parasitäre Empfindlichkeit des Auslese-SQUIDs 6 gegenüber homogenen Feldern nicht mehr zum Tragen, die Balance wird also deutlich erhöht. Zum anderen gibt es keine umlaufenden Abschirmströme im Äußeren der Antenne 4 mehr, so dass das Gradiometer 2 selbst von Bewegungen im Erdfeld unbeeinflusst bleibt.The feedback of the magnetometer SQUID 10 takes place via a sufficiently large coil, which the homogeneous magnetic field over the overall arrangement of gradiometers 2 and magnetometer 3 compensated. This has two consequences for the gradiometer 2 : Firstly, there is the parasitic sensitivity of the read-out SQUID 6 compared to homogeneous fields, so the balance is significantly increased. On the other hand, there are no circulating shielding currents on the outside of the antenna 4 more so the gradiometer 2 remains unaffected by movements in the earth's field.

Dieses Prinzip funktioniert um so besser, je homogener das Rückkoppelfeld des Magnetometers 3 ist und je geringer der Unterschied zwischen den durch diese Rückkoppelschleife 17 erzeugten Feldern am Ort des Magnetometers 3 und des Gradiometers 2 ist. Für letzteres ist es angebracht, Gradiometer 2 und Magnetometer 3 symmetrisch im Rückkoppelfeld anzuordnen. Für eine große Homogenität des Feldes ist die Spule entsprechend auszulegen. Dies kann durch einen großen Spulendurchmesser geschehen oder durch geschickte Auslegung der Spulengeometrie. Ein Ausführungsbeispiel der Messvorrichtung 1 unter Verwendung einer kleinen Helmholtzspule 17 für die homogene Rückkopplung zeigen die 4 und 5.This principle works the better, the more homogeneous the feedback field of the magnetometer 3 is and the smaller the difference between those through this feedback loop 17 generated fields at the location of the magnetometer 3 and the gradiometer 2 is. For the latter, it is appropriate to use gradiometers 2 and magnetometer 3 to be arranged symmetrically in the feedback field. The coil must be designed accordingly for a large homogeneity of the field. This can be done by a large coil diameter or by clever design of the coil geometry. An embodiment of the measuring device 1 using a small Helmholtz coil 17 for homogeneous feedback show the 4 and 5 ,

4 zeigt die erfindungsgemäße Messanordnung, wie sie beispielsweise auf einem einzigen Chip realisiert werden kann. Dabei sind Gradiometer 2 und Magnetometer 3 in einer planaren Anordnung in enger Nachbarschaft auf einem gemeinsamen Substrat, beispielsweise einem Bikristall-Substrat mit den Abmessungen 10 cm × 10 cm, angeordnet. Erfahrungswerte zeigen, dass beispielsweise bei einer einfache Spule mit einem Spulendurchmesser für die Rückkoppelspule 17 des Magnetometers 3 von einem Meter ein Abstand des Gradiometer-Sensors 6 zum Magnetometer-Sensor 10 von etwa zehn Zentimetern ausreichend ist. Ist die Rückkoppelspule kleiner, müssen auch die Sensoren näher zueinander angeordnet sein. Unter dem Substrat ist die Rückkoppelspule 12 des Gradiometers 2 angebracht. Die aus Gradiometer 2, Magnetometer 3 und Rückkoppelspule 12 bestehende Messanordnung wird vorzugsweise verkapselt. Die Kapsel (nicht abgebildet) ist dann in eine kleine Helmholtz-Spule 17 eingebaut, die sich an einem Messstab (nicht abgebildet) befindet. Die Helmholtz-Spule 17 ist derart ausgelegt, dass bei einem gegebenen geringen Platzangebot eine möglichst homogene Feldverteilung über dem Chip erzielt wird. 4 shows the measuring arrangement according to the invention as it can be implemented, for example, on a single chip. There are gradiometers 2 and magnetometer 3 arranged in a planar arrangement in close proximity on a common substrate, for example a bicrystal substrate with the dimensions 10 cm × 10 cm. Experience shows that, for example, with a simple coil with a coil diameter for the feedback coil 17 of the magnetometer 3 a distance of one meter from the gradiometer sensor 6 to the magnetometer sensor 10 of about ten centimeters is sufficient. If the feedback coil is smaller, the sensors must also be closer together. The feedback coil is under the substrate 12 of the gradiometer 2 appropriate. The one from gradiometer 2 , Magnetometer 3 and feedback coil 12 existing measuring arrangement is preferably encapsulated. The capsule (not shown) is then in a small Helmholtz coil 17 installed, which is located on a dipstick (not shown). The Helmholtz coil 17 is designed in such a way that the most homogeneous possible field distribution over the chip is achieved with a given limited space.

Aus Symmetriegründen besonders vorteilhaft ist, dass Gradiometer 2 und Magnetometer 3, wie in 5 gezeigt, nebeneinander auf einem gemeinsamen Substrat liegen.It is particularly advantageous for reasons of symmetry that the gradiometer 2 and magnetometer 3 , as in 5 shown, lie side by side on a common substrate.

In einer weiteren Ausführungsform (nicht abgebildet) sind Gradiometer 2 und Magnetometer 3 auf zwei Substraten getrennt übereinander angeordnet.In another embodiment (not shown) are gradiometers 2 and magnetometer 3 arranged separately on top of each other on two substrates.

Alle in der Beschreibung, den nachfolgenden Ansprüchen und der Zeichnung dargestellten Merkmale können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination miteinander erfindungswesentlich sein.All in the description, the following claims and The features shown in the drawing can be used both individually and be essential to the invention in any combination with one another.

11

Messvorrichtungmeasuring device

22

Gradiometergradiometer

33

Magnetometermagnetometer

44

GradiometerantenneGradiometerantenne

55

Verbindungsleitungconnecting line

66

Gradiometer-SQUIDGradiometer SQUID

77

Anschlüsseconnections

88th

MagnetometerantenneMagnetometer antenna

99

Verbindungsleitungconnecting line

1010

Magnetometer-SQUIDMagnetometer SQUID

1111

Anschlüsseconnections

1212

Gradiometer-RückkoppelspuleGradiometer feedback coil

1313

erste Magnetometer-Aufnehmerschleifefirst Magnetometer Aufnehmerschleife

1414

zweite Magnetometer-Aufnehmerschleifesecond Magnetometer Aufnehmerschleife

1515

RückkopplungsstromFeedback current

1616

Abschirmstromshielding

1717

Magnetometer-RückkoppelspuleMagnetometer feedback coil

1818

Josephson-KontakteJosephson junctions

Claims (19)

Verfahren zur Messung eines Magnetfeldgradienten, dadurch gekennzeichnet, dass für die Messung des Magnetfeldgradienten das homogene Hintergrundmagnetfeld durch ein Magnetometer (3) mit Rückkoppelschleife (17) konstant gehalten wird.Method for measuring a magnetic field gradient, characterized in that for the measurement of the magnetic field gradient the homogeneous background magnetic field by a magnetometer ( 3 ) with feedback loop ( 17 ) is kept constant. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Hintergrundmagnetfeld über der Gesamtanordnung von Gradiometer (2) und Magnetometer (3) konstant gehalten wird.A method according to claim 1, characterized records that the background magnetic field over the overall arrangement of gradiometers ( 2 ) and magnetometer ( 3 ) is kept constant. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Messung in Gradiometer (2) und/oder Magnetometer (3) mit SQUID-Sensoren (6, 10) erfolgt.A method according to claim 1 or 2, characterized in that the measurement in gradiometer ( 2 ) and / or magnetometer ( 3 ) with SQUID sensors ( 6 . 10 ) he follows. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Gradiometer (2) eine Rückkoppelschleife (12) verwendet, um den äußeren zu messenden Magnetfeldgradienten konstant zu halten.Method according to one of claims 1 to 3, characterized in that the gradiometer ( 2 ) a feedback loop ( 12 ) is used to keep the external magnetic field gradient to be measured constant. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Rückkopplung des Gradiometers (2) und die Rückkopplung des Magnetometers (3) mittels getrennter Rückkoppelschleifen (12, 17) erfolgen, so dass sich die Rückkopplungen gegenseitig nicht beeinflussen.A method according to claim 4, characterized in that the feedback of the gradiometer ( 2 ) and the feedback of the magnetometer ( 3 ) by means of separate feedback loops ( 12 . 17 ) take place so that the feedbacks do not influence each other. Vorrichtung (1) zur Messung eines Magnetfeldgradienten, mit einem Gradiometer (2) und mit einem Magnetometer (3) mit Rückkoppelschleife (17) zur Erzeugung eines konstanten homogene Hintergrundmagnetfeldes am Ort des Gradiometers (2).Contraption ( 1 ) for measuring a magnetic field gradient, with a gradiometer ( 2 ) and with a magnetometer ( 3 ) with feedback loop ( 17 ) to generate a constant homogeneous background magnetic field at the location of the gradiometer ( 2 ). Vorrichtung (1) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Gradiometer (2) und das Magnetometer (3) derart benachbart zueinander angeordnet sind, dass sie dem gleichen Hintergrundmagnetfeld ausgesetzt sind.Contraption ( 1 ) according to claim 6, characterized in that the gradiometer ( 2 ) and the magnetometer ( 3 ) are arranged so that they are exposed to the same background magnetic field. Vorrichtung (1) nach Anspruch 6 oder 7, gekennzeichnet durch einen SQUID-Sensor als Magnetfeldgradientensensor (6) des Gradiometers (2) und/oder als Magnetfeldsensor (10) des Magnetometers (3).Contraption ( 1 ) according to claim 6 or 7, characterized by a SQUID sensor as a magnetic field gradient sensor ( 6 ) of the gradiometer ( 2 ) and / or as a magnetic field sensor ( 10 ) of the magnetometer ( 3 ). Vorrichtung (1) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der SQUID-Sensor (6, 10) einlagig ausgeführt ist.Contraption ( 1 ) according to claim 8, characterized in that the SQUID sensor ( 6 . 10 ) is made in one layer. Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Gradiometer (2) eine Rückkoppelschleife (12) aufweist.Contraption ( 1 ) according to one of claims 6 to 9, characterized in that the gradiometer ( 2 ) a feedback loop ( 12 ) having. Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, gekennzeichnet durch getrennte Rückkoppelschleifen (12, 17) für Gradiometer (2) und Magnetometer (3).Contraption ( 1 ) according to one of claims 1 to 10, characterized by separate feedback loops ( 12 . 17 ) for gradiometer ( 2 ) and magnetometer ( 3 ). Vorrichtung (1) nach Anspruch 10 oder 11, gekennzeichnet durch eine Gradientenspule in Form einer liegenden Acht als Rückkoppelspule der Rückkoppelschleife (12) des Gradiometers (2).Contraption ( 1 ) according to claim 10 or 11, characterized by a gradient coil in the form of a lying figure eight as a feedback coil of the feedback loop ( 12 ) of the gradiometer ( 2 ). Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 12, gekennzeichnet durch eine große äußere Spule als Rückkoppelspule der Rückkoppelschleife (17) des Magnetometers (3).Contraption ( 1 ) according to one of claims 1 to 12, characterized by a large outer coil as a feedback coil of the feedback loop ( 17 ) of the magnetometer ( 3 ). Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 12, gekennzeichnet durch eine Helmholtz-Spule als Rückkoppelspule der Rückkoppelschleife (17) des Magnetometers.Contraption ( 1 ) according to one of claims 1 to 12, characterized by a Helmholtz coil as a feedback coil of the feedback loop ( 17 ) of the magnetometer. Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 14, gekennzeichnet durch ein direkt gekoppeltes Gradiometer (2).Contraption ( 1 ) according to one of claims 1 to 14, characterized by a directly coupled gradiometer ( 2 ). Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 15, gekennzeichnet durch ein direkt gekoppeltes Magnetometer (3).Contraption ( 1 ) according to one of claims 1 to 15, characterized by a directly coupled magnetometer ( 3 ). Vorrichtung (1) nach Anspruch 16, gekennzeichnet durch zwei symmetrisch zum Gradiometer (2) angeordnete Aufnehmerschleifen (13, 14) des Magnetometers (3).Contraption ( 1 ) according to claim 16, characterized by two symmetrical to the gradiometer ( 2 ) arranged sensor loops ( 13 . 14 ) of the magnetometer ( 3 ). Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 17, gekennzeichnet durch eine planare Anordnung von Magnetfeldgradientensensor (6) und Magnetfeldsensor (10) auf einem gemeinsamen Substrat.Contraption ( 1 ) according to one of claims 1 to 17, characterized by a planar arrangement of magnetic field gradient sensor ( 6 ) and magnetic field sensor ( 10 ) on a common substrate. Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass Magnetfeldgradientensensor (6) und Magnetfeldsensor (10) übereinander angeordnet sind.Contraption ( 1 ) according to one of claims 1 to 18, characterized in that the magnetic field gradient sensor ( 6 ) and magnetic field sensor ( 10 ) are arranged one above the other.