DE4125087C2 - Meßeinrichtung mit einer feldsensitiven Gradiometer-Schleifenanordnung und darin integriertem Gleichstrom-SQUID - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Meßeinrichtung zur Erfas­ sung schwacher, sich zeitlich ändernder Magnetfelder mittels einer supraleitenden feldsensitiven Schleifenanordnung, in wel­ che ein Gleichstrom-SQUID integriert ist und welche ein Gra­ diometer bildet, das mindestens zwei Gruppen von nebeneinander angeordneten, untereinander parallelgeschalteten Teilschleifen enthält. Eine derartige Meßeinrichtung ist aus "IEEE Trans. Magn.", Vol. MAG-19, No. 3, Mai 1983, Seiten 648 bis 651 be­ kannt.

Mit supraleitenden Quanten-Interferometern, die auch als "SQUIDs" (Abkürzung von: Superconduction QUantum Interference Devices) bezeichnet werden, lassen sich vorteilhaft äußerst schwache, insbesondere biomagnetische Felder oder Feldgradien­ ten detektieren (vgl. z. B. "Rev. Sci. Instrum.", Vol 53, No. 12, Dez. 1982, Seiten 1815 bis 1845). Als bevorzugtes An­ wendungsgebiet für SQUIDs wird deshalb auch die medizinische Diagnostik angesehen, da die dort auftretenden biomagnetischen Signale, z. B. die vom menschlichen Herzen oder vom menschli­ chen Gehirn erzeugten Magnetfelder, nur Feldstärken im pT-Be­ reich hervorrufen (Magnetokardiographie bzw. Magnetoenzephalo­ graphie).

Eine entsprechende Einrichtung zur Erfassung und Aufbereitung derartiger schwacher, orts- und zeitabhängiger Magnetfelder oder entsprechender Magnetfeldgradienten weist mindestens ei­ nen Meß- oder Detektionskanal auf. Dieser Kanal enthält auf seiner Eingangsseite als Antenne eine feldsensitive Schleifen­ anordnung mit mindestens einer Detektionsschleife, mit der ein Magnetometer oder Gradiometer ausgebildet ist. Die in dieser Schleifenanordnung hervorgerufenen magnetischen Flüsse oder Flußgradienten werden dann einem SQUID zugeführt, das bei­ spielsweise in die Schleifenanordnung integriert sein kann (vgl. die eingangs genannte Literaturstelle aus "IEEE Trans. Magn.", Vol. MAG-19) oder Teil eines besonderen SQUID-Kreises (vgl. die genannte Literaturstelle aus "Rev. Sci. Instrum.", insbesondere Seite 1823 und 1825) ist. Die SQUIDs können dabei als sogenannte RF-SQUIDs (Hochfrequenz- bzw. Radio-Frequency- SQUID) oder insbesondere auch als DC-SQUIDs (Gleichstrom- bzw. Direct-Current-SQUIDs) ausgebildet sein. Darüber hinaus weist der Meßkanal gegebenenfalls eine Modulationsspule sowie Ver­ stärker und eine Auswerteelektronik auf. Bis auf die Verstär­ ker und die Auswerteelektronik bestehen die genannten Teile aus supraleitendem Material und sind deshalb in einem Cryo­ system untergebracht, um in ihnen supraleitende Betriebsbedin­ gungen zu ermöglichen.

Derartige Meßeinrichtungen erfordern wegen der extrem geringen Feldstärken der zu messenden, verhältnismäßig niederfrequenten biomagnetischen Felder Maßnahmen zu einer Unterdrückung von vergleichsweise höherfrequenten Störfeldern von beispielsweise etwa 5 bis 6 Größenordnungen im Vergleich zu den zu detektie­ renden Feldsignalen. Hierbei hat man insbesondere die Wahl der Aufteilung dieser Störfeldunterdrückungsmaßnahmen einerseits auf Abschirmmaßnahmen in Gestalt einer Abschirmkammer und an­ dererseits auf Kompensationsmaßnahmen in Gestalt von Gradiome­ tern.

Eine aufwendige und sehr teure Vollabschirmung in der genann­ ten Größenordnung der Feldunterdrückung ist mit einer Kammer möglich, wie sie z. B. aus der Veröffentlichung "Biomagnetism - Proceedings Third International Workshop on Biomagnetism - Berlin, Mai 1980", 1981, Seiten 51 bis 78 bekannt ist. Eine derartige Kammer erlaubt vorteilhaft den Betrieb von Magneto­ metern. Da nämlich Magnetometer im Gegensatz zu Gradiometern nur Detektionsschleifen aufweisen, haben sie bezüglich einer Flußeinkopplung in ein SQUID den Vorteil einer geringen Se­ rieninduktivität und damit einer entsprechend effektiven Fluß­ einkopplung. Aus diesem Grunde weist auch die aus "IEEE Trans. Magn.", Vol. 27, No. 2, März 1991, Seiten 3001 bis 3004 zu entnehmende Meßeinrichtung ein Magnetometer auf. Die Effekti­ vität der Flußeinkopplung ist bei dem bekannten Magnetometer zum einen noch dadurch gesteigert, daß in es direkt ein DC- SQUID integriert ist. Zum anderen ist die Gesamtinduktivität der Schleifenanordnung dieses Magnetometers dadurch ernie­ drigt, daß als Magnetometerschleife acht untereinander paral­ lel geschaltete Teilschleifen dienen. Da dieses Magnetometer der bekannten Meßeinrichtung keine hinreichende Störfeldunter­ drückung gewährleistet, kann bei der bekannten Meßeinrichtung nicht auf die erwähnte Vollabschirmung mittels einer Kammer verzichtet werden.

Geringere Anforderungen an eine externe Abschirmung hinsicht­ lich einer Störfeldunterdrückung können dann gestellt werden, wenn man für den Eingangskreis statt Magnetometer Gradiometer vorsieht (vgl. die EP 0 359 864 A1). Mit Gradiometern erster oder höherer Ordnung, die im Gegensatz zu Magnetometern zu­ sätzlich zu ihrer mindestens einen Detektionsschleife minde­ stens noch eine weitere, als Kompensationsschleife bezeichnete Schleife besitzen, lassen sich nämlich unerwünschte Hinter­ grundfelder entfernterer Feldquellen diskriminieren, während die Feldsensitivität bezüglich näherer Feldquellen erhalten bleibt (vgl. z. B. "Journal of Magnetism and Magnetic Materials", Vol. 22, 1981, Seiten 129 bis 201). Eine entspre­ chend Störfeldunterdrückung läßt sich insbesondere auch mit Gradiometern gewährleisten, die aus der genannten Veröffentli­ chung "IEEE Trans. Magn.", Vol. MAG-19 zu entnehmen sind. Ein daraus bekanntes Gradiometer erster Ordnung enthält jeweils eine einzige Detektions- und Kompensationsschleife mit einem gemeinsamen Leiterteil, in dem die beiden Josephson-Elemente eines DC-SQUIDs ausgebildet sind. Die Magnetfeldempfindlich­ keit eines solchen Gradiometers ist jedoch verhältnismäßig ge­ ring. Daneben ist auch ein Gradiometer zweiter Ordnung be­ schrieben, das eine Schleifenanordnung aus zwei symmetrisch zu den beiden Josephson-Elementen eines DC-SQUIDs angeordneten Gruppen von untereinander parallelgeschalteten Schleifen ent­ hält. Diese verhältnismäßig aufwendig aufgebaute Schleifenan­ ordnung weist zwar eine höhere Magnetfeldempfindlichkeit auf; jedoch ist die Störfeldunterdrückung noch nicht ausreichend, um ganz auf eine Abschirmkammer verzichten zu können.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es nun, die Meßeinrich­ tung mit den eingangs genannten Merkmalen dahingehend auszuge­ stalten, daß bei einer effektiven Flußeinkopplung für nieder­ frequente Meßsignale eine noch effektivere Störfeldunterdrüc­ kung für vergleichsweise höhere Störfrequenzen gewährleistet wird.

Diese Aufgabe wird ausgehend von den im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Merkmalen dadurch gelöst, daß ein Entstörungskreis mit einer supraleitenden Abschirmschleife vorgesehen ist, die zumindest zu Teilbereichen der Teilschlei­ fen parallel angeordnet ist und wenigstens eine mittels eines Impedanzgliedes überbrückte Unterbrechung aufweist, wobei der Induktivitätswert und der Impedanzwert des Entstörungskreises hinsichtlich einer zumindest teilweisen Unterdrückung von Störsignalen so ausgelegt sind, daß eine Schwächung der zu er­ fassenden Feldsignale zumindest weitgehend ausgeschlossen ist.

Bei der erfindungsgemäß ausgestalteten Meßeinrichtung bildet der Entstörkreis quasi einen elektronischen Tiefpaß für die zu detektierenden Feldsignale, während die vergleichsweise höher­ frequenten Störfelder zumindest zu einem wesentlichen Teil ge­ dämpft werden. Die mit der erfindungsgemäßen Ausgestaltung der Meßeinrichtung verbundenen Vorteile sind also darin zu sehen, daß die Einrichtung gegenüber externen Störsignalen wesentlich unempfindlicher gemacht werden kann als bekannte Einrichtun­ gen. Dies hat unter anderem zur Folge, daß der Abschirmaufwand entsprechend vermindert werden kann und sich sogar auf eine Abschirmkammer verzichten läßt.

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

Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird nachfolgend auf die Zeichnung Bezug genommen, in deren Fig. 1 schematisch ei­ ne feldsensitive Schleifenanordnung für eine erfindungsgemäße Meßeinrichtung veranschaulicht ist. Fig. 2 zeigt als Diagramm die Abschirmcharakteristik eines Entstörungskreises dieser Einrichtung. Aus Fig. 3 geht der Aufbau dieses Entstörungs­ kreises näher hervor. In Fig. 4 ist die Schaltung im Mittel­ bereich der Schleifenanordnung näher dargestellt. Eine für diese Schaltung geeignete Filterschaltung geht aus Fig. 5 hervor. In den Figuren sind sich entsprechende Teile mit den­ selben Bezugszeichen versehen.

Die supraleitenden Teile einer Meßeinrichtung nach der Erfin­ dung können vorteilhaft in Dünnfilm-Technik erstellt werden. Sie sollen sich auf einer zur Kühlung ihres supraleitenden Ma­ terials hinreichenden Tieftemperatur, insbesondere auf der Siedetemperatur des flüssigen Heliums (LHe) von 4,2 K befin­ den. Gegebenenfalls könnten die surpaleitenden Teile auch aus bekannten metalloxidischen Hoch-T_c-Supraleitermaterialien her­ gestellt sein, die sich mit flüssigem Stickstoff (LN₂) kühlen lassen. Die Meßeinrichtung kann insbesondere mehrere parallele Meßkanäle aufweisen (vgl. z. B. "Cryogenics", Vol. 29, Aug. 1989, Seiten 809 bis 813 oder die EP 0 359 864 A1). In Fig. 1 ist die feldsensitive Schleifenanordnung eines solchen Meßka­ nals näher dargestellt. Mit dieser Schleifenanordnung sollen verhältnismäßig niederfrequente Feldsignale, beispielsweise mit einer Frequenz unter 1 kHz, insbesondere auch unter 200 Hz, wie sie insbesondere von biomagnetischen Feldquellen erzeugt werden, zu detektieren sein.

Diese feldsensitive, allgemein mit 2 bezeichnete Schleifenan­ ordnung bildet ein bezüglich eines Mittelbereiches M zumindest weitgehend symmetrisch aufgebautes Gradiometer erster Ordnung mit zwei planaren Gruppen G1 und G2 von Teilschleifen aus. Beispielsweise hat jede Gruppe vier Teilschleifen 3a bis 3d bzw. 4a bis 4d, die Detektionsschleifen bzw. Kompensations­ schleifen darstellen. Die Teilschleifen haben jeweils z. B. etwa rechteckige, insbesondere zumindest annähernd quadrati­ sche Gestalt mit einer Seitenlänge s von beispielsweise etwa 0,5 cm. Die Teilschleifen jeder Gruppe sollen dabei an zwi­ schen diesen Gruppen verlaufenden Verbindungsleitern 6a und 6b so angeschlossen bzw. untereinander so parallelgeschaltet sein, daß die in diesen Teilschleifen durch ein zu detektie­ rendes magnetisches Feldsignal 7 induzierten Ströme in den an­ geschlossenen Verbindungsleitern 6a und 6b jeweils einen Strombeitrag in derselben Richtung erzeugen. Die einzelnen Verknüpfungspunkte der Teilschleifen mit den Verbindungslei­ tern 6a und 6b sind in der Figur verstärkt angedeutet und all­ gemein mit 8 bezeichnet. Durch die Belegung der Detektionsflä­ che jeder Gruppe mit einer Vielzahl von parallelgeschalteten Teilschleifen wird vorteilhaft die Gesamtinduktivität der Schleifenanordnung 2 gegenüber einer nicht-unterteilten Anord­ nung entsprechend erniedrigt. Diese Erniedrigung der Indukti­ vität bewirkt vorteilhaft eine Verbesserung der Fluß-Span­ nungs-Umwandlung. Bei der erfindungsgemäßen Meßeinrichtung ist das SQUID in an sich bekannter Weise in das Gradiometer inte­ griert. Hierzu erstreckt sich in dem Mittelbereich M zwischen den beiden Verbindungsleitern 6a und 6b ein Strompfad 10, in dem sich die ein DC-SQUID charakterisierenden zwei Josephson- Elemente 11a und 11b befinden. Eine entsprechende Ausgestal­ tung des Mittelbereichs M geht aus Fig. 4 hervor. Wie ferner in Fig. 1 angedeutet ist, können an beiden Schleifengruppen G1 und G2 Modulationsschleifen 12a bzw. 12b vorgesehen werden, mit denen Modulationssignale in die jeweiligen Teilschleifen, z. B. in die Schleifen 3d und 4d induktiv einzukoppeln sind.

Gemäß der Erfindung sind zusätzliche Maßnahmen zu einer Stör­ feldunterdrückung vorgesehen, um durch eine Abschwächung uner­ wünschter höherfrequenter Störsignale 13 um mindestens einen Faktor 2, vorzugsweise um mindestens einen Faktor 4 erreichen zu können und so eine eindeutige Detektion der Feldsignale zu ermöglichen. Nach dem Ausführungsbeispiel der Fig. 1 ist des­ halb der Gradiometer-Schleifenanordnung 2 eine supraleitende Abschirmschleife 15 zugeordnet, die einen bezüglich der nie­ derfrequenten Feldsignale 7 zumindest weitgehend transparenten Entstörkreis darstellt. Die Leiterbahnen 15a dieser Abschirm­ schleife 15 verlaufen dabei zumindest zu einem großen Teil der einzelnen Teilschleifen der Schleifenanordnung 2 parallel, wobei sie sich wenigstens längs des Außenrandes der Schleifen­ anordnung erstrecken. Vorteilhaft sind auch den vom Außenrand umschlossenen Leiterteilen der Leiterschleifen entsprechende Leiterbahnen 15b zugeordnet, wobei jedoch in sich geschlossene Ringstrukturen dieser Leiterbahnen zu vermeiden sind. Gemäß dem dargestellten Ausführungsbeispiel ergeben die Leiterbahnen 15a und 15b vorteilhaft eine Magnetometerstruktur. Gegebenen­ falls kann mit diesen Leiterbahnen aber auch eine Gradiometer­ struktur ausgebildet werden. Die Abschirmschleife 15 soll min­ destens eine Unterbrechung aufweisen, die mittels eines Impe­ danzgliedes überbrückt ist. Die Anordnungsstelle dieser Unter­ brechung bzw. des Impedanzgliedes innerhalb der Abschirm­ schleife 15 ist an sich unkritisch. Vorteilhaft wird jedoch aus Gründen des zumindest weitgehend symmetrischen Aufbaus des Gradiometer-SQUIDs das mindestens eine Impedanzglied in die Nähe des Mittelbereiches M gelegt. Man kann jedoch auch z. B. zwei Impedanzglieder jeweils im Bereich einer Teilschleifen­ gruppe oder in Mittelbereichsnähe vorsehen. Eine entsprechende Ausgestaltung ist gemäß Fig. 1 angenommen. Die Abschirm­ schleife 15 ist somit an zwei Unterbrechungen 16a und 16b ihrer den Verbindungsleitern 6a und 6b zugeordneten Leiterbah­ nen mit zwei Impedanzgliedern 17a und 17b geschlossen. Bei dem mindestens einen Impedanzglied kann es sich um ein resistives Element und/oder auch um ein kapazitives Element oder um ein Netzwerk mit solchen Elementen handeln. Für das Ausführungs­ beispiel seien resistive Impedanzglieder angenommen. Mit die­ sen Impedanzgliedern ergibt sich so ein geschlossener, nach­ folgend als Entstörungskreis 18 bezeichneter Abschirmkreis mit einem vorbestimmten Wert seiner Induktivität L und seiner frequenzabhängigen Impedanz Z. In die Größe dieser Impedanz Z geht insbesondere die Gesamtimpedanz der beiden Impedanzglie­ der 17a und 17b ein. Die Größen von L und Z sind dabei so aus­ zuwählen, daß zwar eine hinreichende Unterdrückung der höher­ frequenten Störfeldsignale 13 erreicht, jedoch eine Schwächung der niederfrequenten Feldsignale 7 zumindest weitgehend ver­ mieden wird. Der Entstörungskreis 18 muß deshalb einen elek­ trischen Tiefpaß für die Feldsignale 7 darstellen.

Eine Abschätzung der Tiefpaßwirkung eines solchen Entstörungs­ kreises ist nachfolgend skizziert. Dabei seien ϕ (ω) ein ex­ terner magnetischer Fluß eines Magnetfeldes, I (ω) ein indu­ zierter frequenzabhängiger Abschirmstrom, ω die Kreisfrequenz sowie I, Z, L der Strom bzw. die Impedanz bzw. die Induktivi­ tät des Entstörungskreises. Wenn nun ein Magnetfeld durch die von dem Entstörungskreis umschlossene Fläche hindurchtritt, dann werden in diesem Kreis Abschirmströme induziert. Die Grö­ ße dieser Abschirmströme ist unter Annahme einer einzigen Ab­ schirmschleife durch folgende Beziehung gegeben:

Der in dem Entstörungskreis erzeugte effektive magnetische Fluß ϕ' (ω) bei einer vorbestimmten Frequenz ω bzw. Bandbreite ist dann

Wenn gemäß dem gewählten Ausführungsbeispiel die Impedanzglie­ der 17a und 17b den ohmschen Widerstand R aufweisen, ergibt sich

• a) für den Fall (ω « R/L praktisch keine Schwächung der Feldsignale 7
  und
• b) für den Fall ω » R/L
  so daß hohe Frequenzen von stö­ renden Signalen 13 unterdrückt werden.

Ein entsprechender Entstörungskreis verhält sich also bezüg­ lich eines externen Mangetflusses ϕ wie ein Tiefpaßfilter mit einer Abschneidefrequenz ω_b = R/L. Dieser Sachverhalt ist in dem Diagramm der Fig. 2 angedeutet. Dabei sind auf der Ab­ szisse die Kreisfrequenz ω (in willkürlichen Einheiten) und auf der Ordinate der als Abschirmfaktor anzusehende Quotient ϕ'/ϕ aufgetragen. Die Abschneidefrequenz ω_b muß also so gewählt werden, daß die Feldsignale 7 beim Durchtritt durch den Ent­ störungskreis 18 praktisch nicht behindert werden, während die Störsignale 13 im wesentlichen abgeschirmt werden.

Wie aus den vorstehenden Beziehungen ersichtlich ist, wird ei­ ne Störfeldunterdrückung erst effektiv, wenn ω² . L²/R² » 1 ist. Dann ergibt sich für den Abschirmfaktor ϕ'/ϕ näherungs­ weise:

Das heißt, für eine effektive Störfeldunterdrückung sollte man eine möglichst niedrige Abschneidefrequenz vorsehen. Der kon­ krete Wert für diese Frequenz ist von der Frequenz des zu de­ tektierenden Feldes abhängig. Das Rauschen von resistiven Wi­ derständen begrenzt jedoch die Möglichkeit, zu beliebig hohen Abschirmfaktoren zu gelangen.

Fig. 3 zeigt einen Querschnitt durch eine der Teilschleifen, beispielsweise durch die Teilschleife 3a des Entstörungskrei­ ses 18 nach Fig. 1, im Bereich einer dort mit III-III be­ zeichneten Schnittlinie. Wie aus Fig. 3 zu entnehmen ist, kann die den einzelnen Teilschleifen der Schleifenanordnung 2 zugeordnete Abschirmschleife 15 im Querschnitt gesehen vor­ teilhaft als ein geschlitzter Ring 20 bzw. als eine Rinne mit in zwei parallelen Ebenen liegenden Schleifenteilen 20a und 20b ausgebildet sein. Dieser geschlitzte Ring umschließt dabei die Leiterbahn der jeweils abzuschirmenden Teilschleife bis auf den Bereich seiner vorzusehenden seitlichen Öffnung bzw. seines Schlitzes 22. Der Schlitz befindet sich am Außenrand des Ringes 20. Eine derartige Ausführungsform der Abschirm­ schleife 15 ist insbesondere zu einer sehr effektiven Ab­ schirmung der Leiterbahnen von planaren Gradiometern gegen­ über Störfeldern geeignet und läßt sich vorteilhaft verhält­ nismäßig einfach in Dünnfilmtechnik erstellen.

Nachfolgend ist eine Abschätzung der Störfeldempfindlichkeit der erfindungsgemäß ausgestalteten Meßeinrichtung skizziert:
Mit einer Ausgestaltung einer feldsensitiven Schleifenanord­ nung als Gradiometer läßt sich bekanntlich eine Unterdrückung von Störsignalen gegenüber zu detektierenden Feldsignalen um etwa vier Größenordnungen erreichen. Das konkrete Maß der Störfeldunterdrückung ist dabei abhängig von der Genauigkeit der Lithographie der Schleifen. Mit bekannten Lithographie­ verfahren der Dünnfilm-Technik ist die genannte Größenordnung realistisch. Von Vorteil ist außerdem, daß die verwendete Schleifenanordnung wegen ihrer kompakten, d. h. wenig ausge­ dehnten Bauweise (im cm-Bereich) weitgehend unempfindlich ge­ genüber räumlich langsam variierenden Feldern ist, da sie eine quasi punktuelle Messung gewährleistet. Mit der erfindungsge­ mäßen Verwendung eines besonderen Entstörungskreises ist bei geeigneter Dimensionierung eine Unterdrückung von hochfrequen­ ten Störfeldern um mindestens eine (weitere) Größenordnung zu erreichen. Dabei ist es auch als vorteilhaft anzusehen, daß dieser Entstörungskreis als eine einem Gradiometer-SQUID zu­ geordnete Magnetometerstruktur ausgebildet ist. Denn dann ist die Empfindlichkeit bezüglich einer Rauscheinkopplung des dämpfenden Impedanzgliedes reduziert. Das eingekoppelte Fluß­ rauschen in jede Hälfte (Gruppe G1, G2) des Gradiometer-SQUIDs mit n_i = 4 gleichgroßen Schleifen pro Gruppe ist:

wobei k ein Koppelfaktor und L_i die Induktivität einer einzi­ gen Teilschleife sind. Die Größe

stellt dabei die spek­ trale Dichte der thermisch bedingten Stromfluktuation in dem Entstörungskreis dar, der mit einem ohmschen Widerstand R ge­ schlossen ist (vgl. die genannte Literaturstelle aus "Rev. Sci. Instrum.", insbesondere Seite 1837). Auf die Josephson- Elemente des SQUIDs wirkt aber nur die Differenz aus beiden Rauschanteilen der beiden Gruppen G1 und G2 ein:

Diese Größe hängt vom Abgleich des Gradiometers ab. Wenn die Balance des Gradiometers aufgrund der vorerwähnten Lithogra­ phiegenauigkeit tatsächlich vier Größenordnungen ausmacht, dann gilt:

δ(k . L_i) = 10^-4 . L_i.

Nimmt man nun an, daß die Induktivität einer Teilschleife L_i ≈ 10^-8 H ist, dann ergibt sich für n_i = 4, T ≈ 4 K und k_B = 10^-23:

mit ϕ₀ = 2 . 10^-15.

Verlangt man nun, daß die Rauscheinkopplung ϕ_n,R ^(sq) kleiner als das intrinsische SQUID-Rauschen ist, d. h., daß gilt:

dann folgt daraus ein vorteilhaft sehr kleiner Wert für R, nämlich

R ≧ 6 . 10^-6.

Bei einer Induktivität an einer Teilschleife L_i = 10^-8 H kann die Abschneidefrequenz des Entstörungskreises auf

gesetzt werden. Es ist so im Prinzip möglich, mit dem RL-Ent­ störungskreis über eine sehr große Bandbreite zu entstören. Man kann also vorteilhaft die Abschneidefrequenz bis auf das Nutzband des SQUIDs herabsetzen. Nachfolgend ist eine Abschät­ zung der SQUID-Empfindlichkeit der erfindungsgemäß ausgestal­ teten Meßeinrichtung mit einer konkreten Schleifenanordnung gemäß Fig. 1 skizziert. Die Induktivität einer Teilschleife sei dabei L_i = 10^-8 . H, d. h., die Induktivität des SQUIDs beträgt dann

Ferner sei ein SQUID-Rauschen von 1 . 10^-5 . ϕ₀ und eine für die Flußeinkopplung genutzte Fläche von etwa 2 . 0,8 . 1,2 cm² ≈ 2 cm² angesetzt. Die Feldempfindlichkeit ist dann:

Diese Feldauflösung ist für ein planares Gradiometer-SQUID sehr hoch und insbesondere weitaus ausreichend zur Detektion biomagnetischer Signale.

Fig. 4 zeigt eine Prinzipschaltung des Gradiometer-SQUIDs der erfindungsgemäßen Meßeinrichtung im Bereich der in Fig. 1 mit M bezeichneten Gradiometermitte. Zwischen den beiden Verbin­ dungsleitern 6a und 6b zum Zusammenschalten der beiden Gradio­ metergruppen von Teilschleifen erstreckt sich der Strompfad 10 mit den beiden Josephson-Elementen 11a und 11b. Parallel zu diesem Strompfad verläuft ein weiterer Strompfad 25, in den zwei den Josephson-Elementen zuzuordnende ohmsche Widerstände 26a und 26b integriert sind. Am Verknüpfungspunkt 27 dieser beiden Widerstände sowie am Verbindungspunkt 28 des Strompfa­ des 10 mit z. B. dem Verbindungsleiter 6b sind zwei Anschluß­ leiter 30 bzw. 31 für ein Bias-Signal angeschlossen. Wie fer­ ner aus der Fig. 4 hervorgeht, ist der Bereich der Josephson- Elemente 11a und 11b sowie der Widerstände 26a und 26b vor­ teilhaft von einer supraleitenden Abschirmschleife 33 um­ schlossen. Die Leiterbahnen 15a des Entstörungskreises 18 ver­ laufen dabei außerhalb des Bereichs der Abschirmschleife 33. Gemäß der dargestellten Ausführungsform können sich vorteil­ haft die von Widerstandsbahnen 17a und 17b überbrückten Unter­ brechungen 16a und 16b ebenfalls in dem Mittelbereich M befin­ den.

Eine Zusatzmaßnahme zur hochfrequenten Störfeldunterdrückung besteht darin, daß eventuell eingekoppelte hochfrequente Stö­ rungen durch eine Filterschaltung von den Josephson-Elementen 11a und 11b ferngehalten werden. Aus Symmetriegründen setzt sich eine entsprechende Filterschaltung vorteilhaft aus zwei Entstörfiltern 35a und 35b zusammen, die symmetrisch bezüglich des Strompfades 10 der Josephson-Elemente 11a und 11b angeord­ net sind.

Aus Fig. 5 geht die Schaltung eines solchen Entstörfilters, beispielsweise des Filters 35a, näher hervor. Dieses Filter wird durch ein Netzwerk aus Kapazitäten 38a und 38b und ohm­ schen Widerständen 39a und 39b gebildet, das eine frequenzab­ hängige Impedanz Z' aufweist. Die Werte der Kapazitäten und Widerstände sind dabei so zu wählen, daß sich ein Tiefpaß für die zu detektierenden, den Josephson-Elementen zuzuführenden Feldsignale bei gleichzeitiger Unterdrückung von höherfrequen­ ten Störsignalen ergibt.

Gemäß dem anhand der Figuren erläuterte Ausführungsbeispiel wurde davon ausgegangen, daß der Entstörungskreis 18 als sein mindestens ein Impedanzglied einen ohmschen Widerstand auf­ weist. Die Verwendung einer Kapazität statt eines Widerstandes kann gegebenenfalls im Hinblick auf ein minimales Rauschen von Vorteil sein. Die Berechnung der Abschneidefrequenz ω_b für diese kapazitive Ausführungsform erfolgt nach ähnlichen Be­ ziehungen wie für den resistiven Fall, wobei jedoch statt eines Widerstandswertes R nunmehr eine Kapazität C zu berück­ sichtigen ist.

Claims (10)

1. Meßeinrichtung zur Erfassung schwacher, sich zeitlich än­ dernder Magnetfelder mittels einer supraleitenden feldsensiti­ ven Schleifenanordnung, in welche ein Gleichstrom-SQUID inte­ griert ist und welche ein Gradiometer bildet, das mindestens zwei Gruppen von nebeneinander angeordneten, untereinander pa­ rallelgeschalteten Teilschleifen enthält, dadurch gekennzeichnet, daß ein Entstörungskreis (18) mit einer supraleitenden Abschirmschleife (15) vorgesehen ist, die zumindest zu Teilbereichen der Teilschleifen (3a bis 3d, 4a bis 4d) parallel angeordnet ist und wenigstens eine mittels eines Impedanzgliedes (17a, 17b) überbrückte Unterbrechung (16a, 16b) aufweist, wobei der Induktivitätswert (L) und der Impedanzwert (Z) des Entstörungskreises (18) hinsichtlich einer zumindest teilweisen Unterdrückung von Störsignalen (13) so ausgelegt sind, daß eine Schwächung der zu erfassenden Feldsignale (7) zumindest weitgehend ausgeschlossen ist.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Abschirmschleife (15) eine Magnetometerstruktur bildet.

3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß jede Schleifengruppe (G1, G2) mindestens vier Teilschleifen (3a bis 3d, 4a bis 4d) enthält.

4. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, da­ durch gekennzeichnet, daß die Teilschlei­ fen (3a bis 3d, 4a bis 4d) rechteckige, insbesondere zumindest annähernd quadratische Gestalt haben.

5. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, da­ durch gekennzeichnet, daß die Josephson- Elemente (11a, 11b) des Gradiometer-SQUIDs in einem Mittelbe­ reich (M) zwischen den beiden Schleifengruppen (G1, G2) ange­ ordnet sind.

6. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, da­ durch gekennzeichnet, daß die Abschirm­ schleife (15) des Entstörungskreises (18) eine rinnenähnliche Gestalt oder etwa die Gestalt eines seitlich geschlitzten Rin­ ges (20) aufweist und die Leiter der zugeordneten Teilschlei­ fen (3a bis 3d, 4a bis 4d) weitgehend umschließt (Fig. 3).

7. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, da­ durch gekennzeichnet, daß das mindestens eine Impedanzglied (17a, 17b) durch mindestens ein resistives Element und/oder mindestens ein kapazitives Element gebildet ist.

8. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, da­ durch gekennzeichnet, daß die Josephson- Elemente (11a, 11b) des Gradiometer-SQUIDs von einer weiteren supraleitenden Abschirmschleife (33) umgeben sind.

9. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, da­ durch gekennzeichnet, daß zu dem die Jo­ sephson-Elemente (11a, 11b) des Gradiometer-SQUIDs aufweisen­ den Strompfad (10) mindestens ein Entstörfilter (35a, 35b) aus einem Widerstands-Kapazitäts-Netzwerk parallelgeschaltet ist, dessen Impedanz (Z') zur Unterdrückung von Reststörsignalen ausgelegt ist (Fig. 5).

10. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, da­ durch gekennzeichnet, daß zumindest die Schleifenanordnung (2) und der Entstörungskreis (18) in Dünn­ film-Technik erstellt sind.