DE4133606A1 - Squid-detektionseinrichtung - Google Patents
Squid-detektionseinrichtungInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf eine Detektionseinrichtung zur
mehrkanaligen Erfassung schwacher orts- und zeitabhängiger Ma
gnetfelder mindestens einer zu detektierenden, insbesondere
biomagnetischen Feldquelle, welche Einrichtung in jedem Detek
tionskanal ein SQUID-Magnetometer mit folgenden Teilen auf
weist:
- a) ein SQUID mit einer SQUID-Schleife,
- b) einen dem SQUID nachgeordneten Schaltungsteil einer si gnalverarbeitenden Elektronik und
- c) einen Gegenkopplungszweig, der von dem nachgeordneten Schaltungsteil zu einem Gegenkopplungstransformator führt, über den induktiv Gegenkopplungssignale den erfaß ten Meßsignalen zu einer Linearisiarung des SQUIDs zu überlagern sind.
Eine derartige Detektionseinrichtung ist aus "Cryogenics",
Vol. 29, August 1989, Seiten 809 bis 813 bekannt.
Mit supraleitenden Quanten-Interferometern, die auch als
"SQUIDs" (Abkürzung von: Superconducting QUantum Interference
Devices) bezeichnet werden, sind insbesondere äußerst schwache
magnetische Felder zu messen (vgl. z. B. "IEEE Trans. El.
Dev.", Vol. ED-27, No. 10, Okt. 1980, Seiten 1896 bis 1908).
Als bevorzugtes Anwendungsgebiet für SQUIDS wird deshalb auch
die medizinische Diagnostik angesehen, da die dort auftreten
den biomagnetischen Signale, z. B. die vom menschlichen Herzen
oder vom menschlichen Gehirn erzeugten Magnetfelder, nur Feld
stärken im pT-Bereich hervorrufen (Magnetokardiographie bzw.
Magnetoenzephalographie).
Eine entsprechende Einrichtung zur Erfassung derartiger schwa
cher orts- und zeitabhängiger Magnetfelder enthält mindestens
einen Meß- oder Detektionskanal, der wenigstens eine als Gra
diometer oder Magnetometer gestaltete Antenne, eine Koppelspu
le, einen SQUID-Kreis mit in ihm integriertem SQUID, eine Mo
dulationsspule, Verstärker sowie eine Auswerteelektronik auf
weist. Bis auf die Verstärker und Auswerteelektronik sind die
genannten Teile dabei in einem Kryosystem untergebracht, um in
ihnen supraleitende Betriebsbedingungen zu ermöglichen. Die
Antenne weist mindestens eine Detektionsschleife zur Erfassung
der Magnetfelder der zu detektierenden Feldquelle auf. Das
entsprechende Eingangssignal wird dann mit Hilfe der an dem
SQUID angeordneten Koppelspule in das SQUID induktiv trans
formiert. Die Antenne und die Koppelspule bilden dabei einen
geschlossenen supraleitenden Stromkreis bzw. Eingangskreis,
der als ein Flußtransformator anzusehen ist. Zur Messung des
in den SQUID-Kreis eingekoppelten Flusses oder von Flußgradi
enten werden sowohl RF- SQUIDs (Hochfrequenz- bzw. Radio-Fre
quency-SQUIDs) als auch DC- SQUIDs (Gleichstrom- bzw. Direct-
Current-SQUIDs) eingesetzt.
Ein DC-SQUID besteht dabei normalerweise aus einer supralei
tenden Schleife, die von zwei Josephson-Elementen unterbrochen
ist. Zwischen diesen Josephson-Elementen sind zwei Gleichstrom
anschlüsse vorgesehen. Die Spannung zwischen diesen Anschlüs
sen müßte abhängig von einem eingekoppelten Magnetfluß an sich
nicht-linear variieren. Man sieht deshalb vielfach eine beson
dere Gegenkopplung (feedback) vor, um dem eingekoppelten Ma
gnetfeld ein entgegengesetztes Magnetfeld zu überlagern und
somit einen weitgehend konstanten Magnetfluß zu erhalten
(Flux-locked-loop-Technik; vgl. z. B. die genannte Literatur
stelle aus "IEEE Trans. El. Dev."). Aus dem Strom, der für die
erforderliche Gegenkoppelspule benötigt wird, läßt sich dann
auf die Größe des äußeren Magnetfeldes schließen. Darüber
hinaus kann mittels einer Modulationsspule ein hochfrequentes
Feld dem zu messenden Feld überlagert werden, um in einem
rauscharmen Frequenzbereich der SQUIDs zu arbeiten. Ein nach
geschalteter Verstärker verstärkt dann nur Signale, die der
Frequenz und der Phasenlage des Hochfrequenzfeldes entsprechen
(Lock-in-Technik).
Eine Detektionseinrichtung mit einer Vielzahl von entsprechend
ausgestalteten Meßkanälen geht aus der eingangs genannten Ver
öffentlichung "Cryogenics" hervor. Bei dieser Detektionsein
richtung wird die Gesamtschaltung jedes Meßkanals dadurch li
nearisiert, daß eine Gegenkopplung bis zum Eingangskreis vor
gesehen ist. Dementsprechend wird in jedem Kanal ein Gegen
kopplungssignal, beispielsweise am Ausgang eines dem SQUID-
Kreis nachgeordneten Schaltungsteils der signalverarbeitenden
Elektronik abgenommen und zu einem Gegenkopplungstransformator
geführt, dessen eine Wicklung in den Eingangskreis integriert
ist.
Entsprechende Detektionseinrichtungen erfordern wegen der ex
trem geringen Feldstärken der zu messenden biomagnetischen
Felder Maßnahmen zu einer Unterdrückung von Störfeldern von
etwa fünf bis sechs Größenordnungen im Vergleich zu den zu de
tektierenden Feldsignalen. Hierbei hat man die Wahl der Auf
teilung dieser Störfeldunterdrückung auf Abschirmmaßnahmen in
Gestalt einer Abschirmkammer einerseits, und auf Kompensa
tionsmaßnahmen in Gestalt von Gradiometern andererseits.
Eine aufwendige und sehr teure Vollabschirmung in der genann
ten Größenordnung der Feldunterdrückung mit einer Kammer, wie
sie z. B. aus der Veröffentlichung "Biomagnetism - Proceedings
Third International Workshop on Biomagnetism, Berlin (Mai
1980)", 1981, Seiten 51 bis 78 bekannt ist, erlaubt vorteil
haft den Betrieb von Magnetometern. Da nämlich ein Magnetome
ter im Gegensatz zu einem Gradiometer nur eine einzige Detek
tionsschleife aufweist, hat es bezüglich einer Flußeinkopplung
in ein SQUID den Vorteil der geringsten Serieninduktivität und
damit der bestmöglichen Flußeinkopplung. Nachteil des Magneto
meters bei der Magnetoenzephalographie ist jedoch eine stören
de Überlagerung des Herzsignals.
Geringere Anforderungen an eine Abschirmkammer hinsichtlich
einer Störfeldunterdrückung können dann gestellt werden, wenn
man für den Eingangskreis statt Magnetometer Gradiometer vor
sieht (vgl. die EP-A-03 59 864). Mit Gradiometern erster oder
höherer Ordnung, die im Gegensatz zu Magnetometern zusätzlich
zu einer Detektionsschleife mindestens eine weitere, als Kom
pensationsschleife bezeichnete Detektionsschleife besitzen,
lassen sich nämlich unerwünschte Hintergrundfelder entfernte
rer Feldquellen diskriminieren, während die Feldsensitivität
bezüglich näherer Feldquellen erhalten bleibt (vgl. "Journ. of
Magnetism and Magn. Mat." 22, 1981, Seiten 129 bis 201). In
einem solchen Fall läßt sich die Störfeldunterdrückung etwa
gleichmäßig auf die Abschirmkammer und die Gradiometer vertei
len. Die Kammer braucht dann nur für eine geringere Störfeld
unterdrückung ausgelegt zu sein, indem sie eine Unterdrückung
der schlimmsten Transienten gewährleistet. Ein Betrieb des Sy
stems aus Detektionseinrichtung (mit Gradiometern) und Kammer
ist deshalb auch in einer elektromagnetisch gestörten Umgebung
möglich. Die Gradiometerschleifen können vorteilhaft in zwei
parallelen Ebenen in Dünnfilmtechnik gefertigt (vgl.
EP-A-03 63 658) und ohne Abgleichmaßnahmen eingesetzt werden.
Zur Vermeidung einer zweiten Ebene von Gradiometerschleifen
ist auch ein planares Gradiometer-Array mit einer gemeinsamen
Referenzspulenanordnung bekannt (vgl. EP-B-01 30 490).
Will man zur Detektion von schwachen biomagnetischen Feldern
gänzlich auf eine Abschirmkammer verzichten, so sind im allge
meinen Gradiometer zweiter oder noch höherer Ordnung mit einem
Abgleich auf mindestens 10 ppm und eine verhältnismäßig große
Bandbreite des Frequenzbereiches einer SQUID-Regelschleife er
forderlich. Bei einem solchen offenen System (ohne Abschirm
kammer) treten nämlich wesentlich häufiger nicht-kompensierba
re transiente Feldsignale auf. Dabei muß außerdem durch eine
verhältnismäßig große Anstiegsgeschwindigkeit ("slew rate")
der signalführenden und -verarbeitenden Teile der Detektions
einrichtung vermieden werden, daß die SQUID-Schleifen bei
ihrer Signalerfassung blockiert werden.
Der Aufwand zur Herstellung entsprechender Detektionseinrich
tungen ist deshalb verhältnismäßig hoch.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die Detektionsein
richtung mit den eingangs genannten Merkmalen, die als Magne
tometer oder Gradiometer gestaltete Detektionsschleifen auf
weist, dahingehend auszugestalten, daß sich der Aufwand an
Maßnahmen zur Störfeldunterdrückung weiter reduzieren läßt.
Insbesondere sollen entweder die Anforderungen an eine Ab
schirmung zu verringern sein; oder es sollen einfachere Gra
diometer eingesetzt werden können.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß zusätz
lich zu den Detektionskanälen mindestens ein Kompensationska
nal zur Erzeugung eines schnellen Kompensationssignals vorge
sehen ist, der eine höhere Dynamik der Signalverarbeitung als
die Detektionskanäle aufweist und dessen an einem seinem SQUID
nachgeordneten Schaltungsteil einer schnellen Elektronik ge
wonnenes Kompensationssignal in die Gegenkopplungszweige der
Detektionskanäle über Anpassungsglieder so einzuspeisen ist,
daß das Kompensationssignal das jeweilige Gegenkopplungssignal
der Detektionskanäle bezüglich schneller Störsignale kompensa
torisch überlagert.
Die mit dieser Ausgestaltung der Detektionseinrichtung verbun
denen Vorteile sind darin zu sehen, daß aufgrund der erfin
dungsgemäßen analog-elektronischen Kompensation die Detek
tionseinrichtung gegenüber externen Störsignalen wesentlich
unempfindlicher ist als die aus der eingangs genannten Veröf
fentlichung "Cryogenics" bekannte Detektionseinrichtung. Dies
hat unter anderem zur Folge, daß bei gleichem Abschirmungsauf
wand mittels einer Kammer auf die Verwendung von Gradiometern
verzichtet werden kann und nur noch Magnetometer erforderlich
sind. Solche Magnetometer lassen sich insbesondere in bekann
ter Weise konstruktiv einfach in einer einzigen Ebene als ein
Array ausbilden. Dies bedingt auch einen geringeren Kühlauf
wand. Außerdem ist bei einer Verwendung von Magnetometern ge
genüber Gradiometern eine bessere Flußeinkopplung in das je
weilige SQUID gewährleistet, da die Verlust- bzw. Serieninduk
tivität einer eventuellen Kompensationsschleife jeweils weg
fällt.
Bei der erfindungsgemäßen Detektionseinrichtung ist somit min
destens ein schneller Referenz-Magnetometerkanal vorgesehen,
dessen Ausgangssignal in die Gegenkopplungszweige aller SQUIDs
des Magnetometer-Arrays zusätzlich zu der jeweiligen Magneto
meter-Gegenkopplung kompensatorisch einsummiert wird. Dadurch
entsteht ein Magnetometer-Array mit einem gemeinsamen Refe
renzpunkt. Durch diese Maßnahme entfällt vorteilhaft das Er
fordernis einer größeren Dynamik und Anstiegsgeschwindigkeit
für die SQUIDs des Magnetometer-Arrays. Somit können die übli
chen Bausteine der Detektionskanäle von bekannten Detektions
einrichtungen zum Einsatz kommen. Allein der Kompensationska
nal muß gegenüber den Detektionskanälen hinsichtlich einer
größeren Dynamik ausgelegt sein. Dies ist insbesondere bei ei
ner hohen Anzahl von Detektionskanälen gerechtfertigt.
Besonders vorteilhaft ist es dabei, wenn bei der erfindungsge
mäßen Detektionseinrichtung die elektronische Kompensation von
Störsignalen möglichst weit vorn auf der Eingangsseite vor dem
jeweiligen SQUID erfolgt, d. h., wenn das SQUID nur von Störsi
gnalen bereinigte Meßsignale zu verarbeiten hat.
Die erfindungsgemäße Kompensation von Störsignalen bringt
noch einige weitere Vorteile mit sich: Werden die Kanäle als
Magnetometer konzipiert, so ist eine Systemvereinfachung durch
Integration des Flußtransformators auf einem SQUID-Chip mög
lich in Verbindung mit axialen Gradiometern. Eine solche Aus
führungsform läßt sich vorteilhaft auch aus metalloxidischen
Hoch-Tc-Supraleitermaterialien ausbilden. Sieht man mehrere
Kompensationskanäle vor, so kann ferner die Relation zwischen
Störunterdrückung und Signalreduktion durch Zu- oder Abschal
ten einzelner Kompensationskanäle in Grenzen dem jeweiligen
Meßproblem angepaßt werden. Schließlich ist ein Abgleich der
Detektionssymmetrie auf elektronischem Weg, d. h. während des
Betriebs und in der endgültigen Systemkonfiguration, möglich.
Können oder müssen bei der erfindungsgemäßen Detektionsein
richtung Gradiometer eingesetzt werden, so läßt sich vorteil
haft der Abschirmungsaufwand im Vergleich zu der bekannten
Detektionseinrichtung vermindern.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Detektions
einrichtung gehen aus den Unteransprüchen hervor.
Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird nachfolgend auf
die Zeichnung Bezug genommen, in deren Fig. 1 eine prinzi
pielle Schaltung einer erfindungsgemäßen Detektionseinrichtung
angedeutet ist. Fig. 2 zeigt eine weitere Ausbildungsmöglich
keit eines Kompensationskanals einer Schaltung. Aus Fig. 3
geht die Schaltung für eine andere Ausführungsform eines Ka
nals einer Detektionseinrichtung hervor. In den Figuren sind
sich entsprechende Teile mit denselben Bezugszeichen versehen.
Die in dem Schaltungsschema nach Fig. 1 aufgezeigten Teile
oder Blöcke einer Detektionseinrichtung nach der Erfindung
sollen sich auf einer zur Kühlung ihrer supraleitenden Ele
mente hinreichenden Tieftemperatur, insbesondere auf der Sie
detemperatur des flüssigen Heliums (LHe) von 4,2 K befinden.
Gegebenenfalls können diese supraleitenden Elemente auch aus
bekannten metalloxidischen Hoch-Tc-Supraleitermaterialien
hergestellt sein, die sich mit flüssigem Stickstoff (LN2)
kühlen lassen. Die allgemein mit 2 bezeichnete Detektionsein
richtung weist eine vorbestimmte Anzahl n von parallelen De
tektionskanälen Dn auf. Die Anzahl n liegt insbesondere über
10. In der Figur nicht näher ausgeführte Teile der Detek
tionseinrichtung sind an sich bekannt (vgl. die eingangs ge
nannte Veröffentlichung "Cryogenics" oder die EP-A-03 59 864).
Jeder Detektionskanal Dn enthält ein Magnetometer mit einer
Detektionsschleife 3 als Antenne für ein von mindestens einer
zu detektierenden Feldquelle ausgesandtes magnetisches Feldsi
gnal 4. Die Detektionsschleifen 3 aller Kanäle Dn können dabei
vorteilhaft zu einem Array zusammengefaßt sein. Das mit jeder
Schleife 3 detektierte Eingangssignal wird induktiv über eine
Koppelspule 5 in eine Schleife 6 eines SQUIDs eingekoppelt.
Gemäß dem Ausführungsbeispiel ist ein DC-SQUID 7 mit zwei Jo
sephson-Tunnelelementen 9a und 9b angenommen. Es können jedoch
auch RF-SQUIDs verwendet werden. Der mit der Detektionsschlei
fe 3 und der Wicklung dieser Koppelspule 5 einen supraleiten
den Flußtransformator bildende Kreis wird als Eingangskreis 8
angesehen. Das mit Hilfe des SQUIDs 7 hervorgerufene SQUID-Si
gnal 10 wird dann einem nachgeordneten, nicht näher ausgeführ
ten Schaltungsteil 11 einer signalverarbeitenden Elektronik
zugeführt, die ein Ausgangssignal 12 erzeugt. Dieses Ausgangs
signal 12 wird anschließend zu einem nachgeschalteten Elektro
nikteil zur weiteren Auswertung und Darstellung geleitet. Die
ser an sich bekannte Elektronikteil ist in der Figur nicht ge
zeigt und befindet sich im allgemeinen auf Raumtemperatur.
Wie ferner aus Fig. 1 hervorgeht, wird am Ausgang des Schal
tungsteils 11 auch ein Gegenkopplungssignal 13 abgenommen und
zu einem Gegenkopplungstransformator 14 geführt, dessen eine
Wicklung 14a in den Eingangskreis 8 integriert ist. Durch eine
solche Gegenkopplung läßt sich vorteilhaft die Gesamtschaltung
des Detektionskanals Dn linearisieren. In dem entsprechenden
Gegenkopplungszweig 15 kann noch ein Anpassungselement 16 z. B.
in Form eines Widerstandes vorhanden sein.
In Fig. 1 sind darüber hinaus an sich bekannte Maßnahmen zu
einer Modulation des in das SQUID 7 gelangenden Signals nur
angedeutet. Im allgemeinen ist hierzu eine Modulationsspule 19
vorzusehen, mit der ein von einer Oszillatorschaltung 17 er
zeugtes Modulationssignal 18 induktiv in die SQUID-Schleife 6
einzukoppeln ist. Die Modulationsfrequenz liegt z. B. bei etwa
100 kHz.
Für biomagnetische Anwendungen braucht man die Signalverarbei
tung in den Detektionskanälen Dn nur für eine obere Grenzfre
quenz von etwa 10 kHz auszulegen. Dann läßt sich die weitere
signalverarbeitende Elektronik in einfacher Operationsverstär
kertechnik ausführen. Eine erforderliche Resonanzverstärkung
des SQUID-Signals bei LHe-Temperatur erlaubt eine rauschfreie
Signaltransformation bei geringem Bauteilevolumen, die durch
eine selbständige Anpassung an die SQUID-Eigenschaften in ge
wissen Grenzen zu einem konstanten Ausgangssignal führt.
Gemäß der Erfindung soll die Detektionseinrichtung 2 zusätz
lich noch mindestens einen wesentlich schnelleren Kompensa
tionskanal K zur Stördetektion aufweisen. Da bis zu 3 linear
unabhängige Störfeldkomponenten auftreten können, ist gegebe
nenfalls zu deren Unterdrückung eine entsprechende Anzahl von
Kompensationskanälen erforderlich. Gemäß dem dargestellten
Ausführungsbeispiel ist jedoch nur ein einziger Kompensations
kanal K z. B. für die Bz-Störfeldkomponente vorgesehen. Bei der
Detektionseinrichtung 2 wird das detektierte Störsignal nicht
wie bei bekannten Detektionseinrichtungen nachträglich von den
Signalen der Detektionskanäle substrahiert, sondern in die Ge
genkopplungsleitungen dieser Kanäle eingespeist. Voraussetzung
hierfür ist, daß der Kompensationskanal hinreichend schnell
ist, d. h. eine entsprechend hohe Dynamik aufweist. Dann läßt
sich durch diese magnetische Subtraktion im Eingangskreis
(Flußtransformator) das Störsignal vorteilhaft von den SQUIDs
der Detektionskanäle fernhalten. Der hier erforderliche Kom
pensationskanal K ist im wesentlichen entsprechend den Detek
tionskanälen Dn aufgebaut. Er enthält somit einen Eingangs
kreis 20 mit Detektionsschleife 21, Gegenkopplungstransforma
tor 22 und Koppelspule 23, eine SQUID-Schleife 24 eines SQUIDs
25 sowie einen nachgeordneten Schaltungsteil 26 einer schnel
len signalverarbeitenden Elektronik. Ein am Ausgang dieses
Schaltungsteils abgenommenes Gegenkopplungssignal 27 wird über
einen Gegenkopplungszweig 28 mit Anpassungselement 29 dem Ge
genkopplungstransformator 22 in dem Eingangskreis 20 mit inte
grierter Wicklung 22a des Gegenkopplungstransformators zuge
führt. Erfindungsgemäß wird das mittels eines Inverters 30 in
vertierte Ausgangssignal 31 des nachgeordneten Schaltungsteils
zunächst zu einem Referenzpunkt 32 geleitet. An diesem Refe
renzpunkt wird das Ausgangssignal 31 in eine der Anzahl n der
Detektionskanäle Dn entsprechende Anzahl von Referenzsignalen
31 n aufgespalten. Jedes Referenzsignal 31 n wird dann dem je
weils zugeordneten Detektionskanal Dn über eine Referenzlei
tung 33 mit integriertem einstellbaren Anpassungsglied 34
zugeführt. Als Anpassungsglied 34 n kommt insbesondere ein ein
stellbarer Widerstand oder ein Verstärker mit regelbarer Ver
stärkung in Frage. Hierzu wird das Referenzsignal in den je
weiligen Gegenkopplungszweig 15 eines Detektionskanals D zu
sätzlich zum jeweiligen Gegenkopplungssignal 13 kompensato
risch einsummiert.
Auch für den Kompensationskanal K wird vorteilhaft eine Modu
lation des Eingangssignals wie in den Detektionskanälen D
vorgesehen. Der Kompensationskanal K weist deshalb einen Os
zillator 40 zur Erzeugung eines Modulationssignals 41 auf, das
über eine Modulationsspule 42 induktiv in die SQUID-Schleife
24 eingekoppelt wird.
Bei einer elektronischen Kompensation, wie sie bei der erfin
dungsgemäßen Detektionseinrichtung vorgenommen werden soll,
müssen die auf verschiedenen Wegen gewonnenen und dann sub
trahierten Signale in Amplitude und Phase entsprechend der er
forderlichen Störunterdrückung übereinstimmen. Sich aus dieser
Forderung ergebende Konsequenzen sind nachfolgend kurz abge
schätzt:
Der das SQUID 25 enthaltende Kompensations- bzw. Referenzkanal K besitzt eine Übertragungscharakteristik, die einem Tiefpaß erster Ordnung mit einer Grenzfrequenz fg entspricht. Die Fre quenzabhängigkeiten von Amplitutde A und Phase ϕ sind dann ge geben durch
Der das SQUID 25 enthaltende Kompensations- bzw. Referenzkanal K besitzt eine Übertragungscharakteristik, die einem Tiefpaß erster Ordnung mit einer Grenzfrequenz fg entspricht. Die Fre quenzabhängigkeiten von Amplitutde A und Phase ϕ sind dann ge geben durch
und
ϕ = - arctan (f/fg) ≈ f/fg
mit der Näherung für f/fg «1. Die relative Amplitude a der
Differenz zwischen ursprünglichem und übertragenem Signal er
gibt sich dann aufgrund des Amplitudengangs zu,
a = 1/2·(f/fg) 2,
und aufgrund des Phasengangs zu,
a = f/fg.
Wird nun z. B. eine Kompensation bis auf 0,001 bis zu einer
Frequenz f von 1 kHz gefordert, so bedeutet dies, daß der Kom
pensationskanal K aufgrund seines Amplituden- und Phasengangs
eine obere Grenzfrequenz fg von mindestens 1 MHz besitzen muß.
Außerdem muß der Kanal K eine hinreichend hohe Anstiegsge
schwindigkeit ("slew rate") aufweisen.
Entsprechende Forderungen werden für erfüllbar gehalten. So
ist es auf dem Gebiet der elektronischen Kompensation gelun
gen, durch eine DC-Messung eines SQUID-Signals den Frequenzbe
reich entsprechender Systeme auf über 500 kHz und die An
stiegsgeschwindigkeit auf mindestens 3 mT/s zu erhöhen. Da
hierbei eine Gleichspannungsmessung im Nano- oder Mikrovoltbe
reich wegen Verstärkerdriften und Thermospannungen problema
tisch ist, wird ein Modulationsverfahren beim Betrieb der
SQUIDs für unverzichtbar gehalten. Eine schnelle Ausführung
eines Modulationsverfahrens ist ebenfalls bekannt (vgl. "Rev.
Sci. Instrum.", Vol. 55, No. 6, 1984, Seiten 952 bis 957). Da
nach wurden obere Grenzfrequenzen von über 500 kHz und An
stiegsgeschwindigkeiten von 4mT/s erreicht.
Ferner muß das Signal-/Rausch-Verhalten des Kompensationska
nals optimiert sein, da sein Rauschen in alle anderen Kanäle
eingespeist wird. Zu diesem Zweck kann man vorteilhaft eine
Detektionsschleife 21 des Kompensationskanals K vorsehen, die
vergleichsweise großflächiger als jede einzelne der Detek
tionsschleifen 3 der Detektionskanäle Dn ist. Zweckmäßig kann
die Detektionsschleife 21 auch gegenüber dem Boden eines er
forderlichen Dewars verhältnismäßig weit zurückgesetzt ange
ordnet werden, da dieser Boden ebenfalls Rauschanteile er
zeugt. Auch bekannte, qualitativ hochwertige supraleitende
Flußtransformatoren, SQUIDs, Resonanzkreise und Vorverstärker
sollten für den Kompensationskanal verwendet werden.
Um eine gute Unterdrückung von unerwünschten Magnetfeldkompo
nenten, eine sogenannte Querfeld-Unterdrückung zu gewährlei
sten, müssen ferner die Detektionsschleifen 3 der Detektions
kanäle Dn bezügliche der Detektionsschleife 21 des Kompensa
tionskanals K gut planparallel ausgerichtet sein. Gegebenen
falls sind jedoch noch bis zu 2 entsprechende zusätzlich Kom
pensationskanäle vorzusehen, um für alle drei Magnetfeldkompo
nenten in einem x-y-z-Koordinatensystem ein analoges gewichte
tes Summieren von Querfeld-Magnetometersignalen der Kompensa
tionskanäle in der Gegenkopplung der Eingangskreise jedes der
Detektionskanäle zu einer vollständigen Kompensation ein
schließlich von eventuellen Zuleitungseffekten zu nutzen.
Wie ferner in Fig. 1 durch eine strichpunktierte Linie veran
schaulicht sein soll, befinden sich die Detektionskanäle Dn
und der mindestens eine Kompensationskanal K der erfindungsge
mäßen Detektionseinrichtung 2 innerhalb einer Abschirmkammer
A. Diese Abschirmkammer braucht bei der erfindungsgemäßen Aus
gestaltung der Detektionseinrichtung 2 vorteilhaft nur so aus
gelegt zu sein, daß lediglich eine Unterdrückung der schlimm
sten transienten Störsignale erfolgt. Da die Abschirmkammer zu
einer derartigen unvollständigen Störfeldunterdrückung die äu
ßeren Störfelder zu einem erheblichen Teil in Gradienten um
formt, kann man zu deren Störfeldunterdrückung zu allen Detek
tionskanälen vorteilhaft Referenzgradienten individuell ge
wichtet hinzusummieren. Entsprechende Maßnahmen sind an sich
bekannt (vgl. z. B. den Beitrag AM-25 des Autors St. E. Robin
son bei der "7th Int. Conf. on Biomagnetism", New York; Aug.
14-18, 1989 mit dem Titel "Noise Cancellation for Biomagnetic
Measurements", Seiten 75 und 76). Im Falle eines kartesischen
x-y-z-Koordinatensystems sind insgesamt neun Gradienten erster
Ordung möglich: dBz/dx, dBz/dy, dBz/dz, dBy/dx, dBy/dy,
dBy/dz, dBx/dx, dBx/dy und dBx/dz. Von diesen sind fünf Gradi
enten linear unabhängig, so daß zur Erfassung der entsprechen
den fünf Störgradienten mindestens fünf Kompensationskanäle
mit Gradiometern erforderlich sind. Daneben kann eine erfin
dungsgemäße Detektionseinrichtung selbstverständlich noch mit
bis zu drei Kompensationskanälen zur Berücksichtigung der li
near unabhängigen Störfeldkomponenten Bz, Bx und By versehen
sein. Für das Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 ist ein einzi
ger Kompensationskanal zum Empfang von Störgradienten, bei
spielsweise für die dBz/dz-Gradienten, ausgewählt. Dieser mit
K′ bezeichnete Kanal ist weitgehend gleich dem Kompensations
kanal K nach Fig. 1 aufgebaut. Lediglich sein einen supralei
tenden Flußtransformator bildender Eingangskreis 45 enthält
als Antenne ein bekanntes Gradiometer 46 erster Ordnung mit 2
Detektionsschleifen 47 und 48. Das in diesem Kanal K′ gewon
nene Ausgangssignal 49 wird wiederum einem Referenzpunkt 50
gemäß Fig. 1 zugeführt. Die in jedem derartigen Referenz-
bzw. Kompensationskanal erzeugten Ausgangssignale müssen unab
hängig voneinander auf die einzelnen Detektionskanäle Dn ver
teilt werden; d. h., jeder Kompensationskanal K′ benötigt einen
eigenen Referenzpunkt 50 und einstellbare Anpassungsglieder
51 n für die jeweiligen Kompensationssignale 52 n. Da bei einer
Gradiometerkompensation viele einstellbare Widerstände zu ju
stieren wären, werden in diesem Fall vorteilhaft als Anpas
sungsglieder 51 n Verstärker mit regelbarer Verstärkung vorge
sehen. Die hierfür erforderlichen Steuerspannungen können ent
weder passiv z. B. über EPROMs und DA-Wandler oder aktiv von
einem Systemrechner über DA-Wandler bereitgestellt werden. Die
so gewonnenen einzelnen Kompensationssignale 52 n werden dann
erfindungsgemäß dem jeweils zugeordneten Gegenkopplungssignal
entsprechend Fig. 1 kompensatorisch überlagert. Vorteile ei
ner analog-elektronischen Kompensation dieser Art sind, daß
SQUID-Übersteuerungen an der Quelle vermieden werden und daß
der Anwender der Detektionseinrichtung unmittelbar entrauschte
Signale sehen kann. Ferner ist mit einer derartigen Störunter
drückung die Möglichkeit geschaffen, eine autonome, den für
eine Signalverarbeitung, -auswertung und -darstellung erfor
derlichen Hauptrechner nicht belastende Prozeßsteuerung durch
zuführen. Denn für jede in einem Betriebsfall gewählte Posi
tion der Detektionseinrichtung mit ihrem Dewar kann man dann
nämlich individuell eine passende Karte von Widerstandsnetz
werken bzw. Anpassungsgliedern und -elementen oder im Falle
von Regelverstärkern als Anpassungsgliedern oder -elementen
EPROMs oder eine softwaremäßige Summation für die Ansteuerung
der erforderlichen DA-Wandler vorsehen.
Die für eine Messung von weiteren Gradienten erforderlichen
weiteren Kompensationskanäle sind entsprechend dem in Fig. 2
dargestellten Kanal K′ aufgebaut.
Für die in den vorstehenden Ausführungsbeispielen dargestell
ten einzelnen Kanäle Dn, K und K′ können auch andere, von De
tektionseinrichtungen zur Messung und Darstellung von bioma
gnetischen Feldern bekannte Schaltungskonzepte und Schleifen
formen zur Detektion der Feldsignale vorgesehen werden. So ist
es z. B. möglich, die Modulationsspulen 19 bzw. 42 nicht unmit
telbar der jeweiligen SQUID-Schleife 6 bzw. 24, sondern einem
zwischen dem Eingangskreis 8 bzw. 20 oder 45 und dem jeweils
zugeordneten SQUID-Kreis vorhandenen Transformatorkreis zuzu
ordnen.
Obwohl für erfindungsgemäße Detektionseinrichtungen eine Ver
wendung von DC-SQUIDs als besonders vorteilhaft anzusehen ist,
können die Detektionskanäle und/oder kann der zumindest eine
Kompensationskanal gegebenenfalls auch jeweils mit einem RF-
SQUID aufgebaut sein.
Gemäß den in den Fig. 1 und 2 angenommenen Ausführungsbei
spielen wurde davon ausgegangen, daß die Detektionskanäle und
der mindestens eine Kompensationskanal jeweils ein dem jewei
ligen SQUID-Kreis vorangeordneten, als Flußtransformator wir
kenden Eingangskreis aufweisen, wobei zum Empfang der insbe
sondere biomagnetischen Feldsignale eine gesonderte Detek
tionsschleife vorgesehen ist. Es sind jedoch auch SQUID-Ma
gnetometer bekannt, die besondere Flußtransformatoren nicht
erforderlich machen und bei denen die SQUID-Schleife zugleich
als Detektionsschleife zum Empfang der Feldsignale dient (vgl.
z. B. "IEEE Trans. Magn.", Vol. MAG-19, No. 3, Mai 1983, Seiten
648 bis 651 oder "J. Appl. Phys.", Vol. 54, No. 10, Okt. 1983,
Seiten 6065 bis 6067). Eine erfindungsgemäße Detektionsein
richtung kann auch dementsprechend ausgeführt sein. Fig. 3
zeigt einen Detektionskanal Dn′ einer derartigen Detektions
einrichtung. Ihr zugehöriger, mindestens einer Kompensations
kanal kann entsprechend oder mit einem Flußtransformator gemäß
Fig. 1 oder Fig. 2 aufgebaut sein. Gemäß Fig. 3 dient zum
Empfang der von einer zu detektierenden Feldquelle ausgesand
ten Feldsignale 4 eine nur schematisch ausgeführte SQUID-
Schleife 55 z. B. eines DC-SQUIDs 56. Diese Schleife bildet zu
gleich die eine Wicklung eines Gegenkopplungstransformators
57, über den ein in einem Gegenkopplungszweig 58 übertragenes
Gegenkopplungssignal 59 in die SQUID-Schleife induktiv einzu
koppeln ist. Erfindungsgemäß soll dieses Gegenkopplungssignal
durch ein Referenzsignal 31 n′ eines schnellen Kompensationska
nals bezüglich schneller Störsignale kompensatorisch überla
gert werden.
Eine derartige Ausbildung des Gegenkopplungszweiges 58 und der
Einspeisung eines Kompensationssignals 31 n′ ist auch für Aus
führungsformen von Detektionskanälen und/oder Kompensationska
nälen möglich, die als Flußtransformatoren gestaltete Ein
gangskreise aufweisen. Oie Stelle der Anordnung des Gegen
transformators zur Einspeisung von Gegenkopplungssignalen, die
erfindungsgemäß durch Kompensationssignale überlagert sind,
ist also für die Detektionseinrichtung nach der Erfindung von
untergeordneter Bedeutung.
Selbstverständlich ist es für eine erfindungsgemäße Detek
tionseinrichtung auch möglich, zum Empfang von Magnetfeldgra
dienten den Eingangskreis 8 jedes Detektionskanals Dn statt
mit dem gemäß Fig. 1 angenommenen Magnetometer mit einem be
kannten Gradiometer erster oder höherer Ordnung auszustatten.
Auch die SQUID-Schleife 55 gemäß Fig. 3 kann als Gradiometer
ausgeführt sein. Gradiometer sind unter dem Gesichtspunkt ei
ner weiteren Unterdrückung von Störsignalen als vorteilhaft
anzusehen.
Claims (16)
1. Detektionseinrichtung zur mehrkanaligen Erfassung schwacher
orts- und zeitabhängiger Magnetfelder mindestens einer zu de
tektierenden, insbesondere biomagnetischen Feldquelle, welche
Einrichtung in jedem Detektionskanal ein SQUID-Magnetometer
mit folgenden Teilen aufweist:
- a) ein SQUID mit einer SQUID-Schleife,
- b) einen dem SQUID nachgeordneten Schaltungsteil einer si gnalverarbeitenden Elektronik und
- c) einen Gegenkopplungszweig, der von dem nachgeordneten Schaltungsteil zu einem Gegenkopplungstransformator führt, über den induktiv Gegenkopplungssignale den erfaß ten Meßsignalen zu einer Linearisierung des SQUIDs zu überlagern sind,
dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich
zu den Detektionskanälen (Dn, Dn′) mindestens ein Kompensa
tionskanal (K, K′) zur Erzeugung eines schnellen Kompensa
tionssignals (31 n, 31 n′, 52 n) vorgesehen ist, der eine höhere
Dynamik der Signalverarbeitung als die Detektionskanäle auf
weist und dessen an einem seinem SQUID (25) nachgeordneten
Schaltungsteil (26) einer schnellen Elektronik gewonnenes Kom
pensationssignal in die Gegenkopplungszweige (15, 58) der De
tektionskanäle über Anpassungsglieder (34 n, 51 n) so einzuspei
sen ist, daß das Kompensationssignal das jeweilige Gegenkopp
lungssignal (13, 59) der Detektionskanäle bezüglich schneller
Störsignale kompensatorisch überlagert.
2. Detektionseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß jedes SQUID-Magnetometer
mindestens ein Gleichstrom-SQUID (7, 25, 56) enthält.
3. Detektionseinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, da
durch gekennzeichnet, daß in zumindest
einigen der Kanäle (Dn, K, K′) jeweils dem SQUID (7, 25) ein
supraleitender Eingangskreis (8, 20) vorangeordnet ist, der
mindestens eine die Signale (4) der Feldquelle empfangende
Detektionsschleife (3, 21, 47, 48) und eine Koppelspule (5,
23) zur induktiven Einkopplung der an der Detektionsschleife
gewonnenen Meßsignale in die SQUID-Schleife (6, 24) enthält.
4. Detektionseinrichtung nach Anspruch 3, dadurch
gekennzeichnet, daß eine Wicklung (14a, 22a)
des Gegenkopplungstransformators (14, 22) in den Eingangskreis
(8, 20) integriert ist.
5. Detektionseinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, da
durch gekennzeichnet, daß in zumindest
einigen der Kanäle (D′n) jeweils die SQUID-Schleife (55) auch
zur Detektion der Signale (4) der Feldquelle vorgesehen ist
(vgl. Fig. 3).
6. Detektionseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet, daß eine Wick
lung des Gegenkopplungstransformators (57) durch die SQUID-
Schleife (55) gebildet ist.
7. Detektionseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
dadurch gekennzeichnet, daß zumindest
einige der die Signale (4) der Feldquelle detektierenden
Schleifen (3, 21, 55) jeweils ein Magnetometer bilden.
8. Detektionseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
dadurch gekennzeichnet, daß zumindest
einige der die Signale (4) der Feldquelle detektierenden
Schleifen jeweils ein Gradiometer bilden.
9. Detektionseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8,
dadurch gekennzeichnet, daß Mittel (17,
18, 19, 40, 41, 42) für eine Modulation der in die SQUID-
Schleife (6, 24, 55) jedes Kanals (Dn, Dn′, K, K′) eingekop
pelten Signale vorgesehen sind.
10. Detektionseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9,
dadurch gekennzeichnet, daß in dem Kom
pensationskanal (K) die Fläche der die Signale (4) der Feld
quelle detektierenden Schleife (21) größer als die detektie
rende Fläche jeder Schleife (3) der Detektionskanäle (Dn) ist.
11. Detektionseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10,
dadurch gekennzeichnet, daß in dem Kom
pensationskanal (K′) die Signale (4) der Feldquelle mittels
eines Gradiometers (46) erster Ordnung zu detektieren sind
(Fig. 2).
12. Detektionseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11,
dadurch gekennzeichnet, daß das Aus
gangssignal (31, 49) des Kompensationskanals (K, K′) zunächst
einem Referenzpunkt (32, 50) zuzuführen ist, wo es in eine der
Anzahl der Detektionskanäle (Dn, Dn′) entsprechende Anzahl
von Kompensationssignalen (31 n, 52 n) aufzuspalten ist.
13. Detektionseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12,
dadurch gekennzeichnet, daß für bis zu
drei linear unabhängige Störfeldkomponenten und gegebenenfalls
für bis zu fünf linear unabhängige Störgradientenkomponenten
eine den Komponenten entsprechende Anzahl von Kompensationska
nälen vorgesehen sind, deren Kompensationssignale mittels der
Anpassungsglieder individuell gewichtet den jeweils zugeordne
ten Gegenkopplungstransformatoren zuzuführen sind.
14. Detektionseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13,
dadurch gekennzeichnet, daß als Anpas
sungsglieder einstellbare Widerstände (34 n) oder regelbare
Verstärker (51 n) vorgesehen sind.
15. Detektionseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 14,
gekennzeichnet durch eine Anordnung in ei
ner Abschirmkammer (A).
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
EP90120739 | 1990-10-29 |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE4133606A1 true DE4133606A1 (de) | 1992-05-07 |
DE4133606C2 DE4133606C2 (de) | 1993-11-11 |
Family
ID=8204663
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE19914133606 Expired - Lifetime DE4133606C2 (de) | 1990-10-29 | 1991-10-10 | SQUID-Detektionseinrichtung |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
DE (1) | DE4133606C2 (de) |
-
1991
- 1991-10-10 DE DE19914133606 patent/DE4133606C2/de not_active Expired - Lifetime
Non-Patent Citations (3)
Title |
---|
HOENIG, H.E. et al: Biomagnetic multichannel system with entegrated SQUIDs and first order gradiometers operating in a shieled room. In: Cryogenics, 1989, Vol.29, S.809-813 * |
JP 2-212788 (A). In: Patents Abstr. of Japan P-1128 Vol.14/No.508, 1990 * |
ROBINSON, S.E.: Environmental noise concellation for biomagnetic measurements. In: Plenum Press, Nrw York, 1989,S.721-724 * |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
DE4133606C2 (de) | 1993-11-11 |
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