DE4133606C2 - SQUID-Detektionseinrichtung - Google Patents

Description

Die Erfindung geht aus von einer Detektionseinrichtung zum mehrkanaligen Erfassen schwacher orts- und zeitabhängiger Magnetfelder gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1.

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 auftretenden biomagnetischen Signale, z. B. die vom menschlichen Herzen oder vom menschlichen Gehirn erzeugten Magnetfelder, nur Feldstärken 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 allgemeinen Gradiometer zweiter oder noch höherer Ordnung mit einem Abgleich auf mindestens 10 ppm und eine verhältnismäßig große Bandbreite des Frequenzbereiches einer SQUID-Regelschleife erforderlich. Bei einem solchen offenen System (ohne Abschirmkammer) treten nämlich wesentlich häufiger nicht-kompensierbare transiente Feldsignale auf. Dabei muß außerdem durch eine verhältnismäßig große Anstiegsgeschwindigkeit ("slew rate") der signalführenden und -verarbeitenden Teile der Detektionseinrichtung vermieden werden, daß d SQUID-Schleifen bei ihrer Signalerfassung blockiert werden.

Der Aufwand zur Herstellung entsprechender Detektionseinrichtungen ist deshalb verhältnismäßig hoch.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die Detektionseinrichtung mit den im Oberbegriff von Anspruch 1 aufgeführten Merkmalen, die als Magnetometer oder Gradiometer gestaltete Detektionsschleifen aufweist, dahingehend auszugestalten, daß sich der Aufwand an Maßnahmen zur Störfeldunterdrückung weiter reduzieren läßt. Insbesondere sollen entweder die Anforderungen an eine Abschirmung zu verringern sein oder es sollen einfachere Gradiometer eingesetzt werden können.

Diese Aufgabe wird mit den im Anspruch 1 aufgeführten Maßnahmen gelöst.

Die mit dieser Ausgestaltung der Detektionseinrichtung verbundenen Vorteile sind darin zu sehen, daß aufgrund der erfindungsgemäßen analog-elektronischen Kompensation die Detektionseinrichtung gegenüber externen Störsignalen wesentlich unempfindlicher ist als die aus der eingangs genannten Veröffentlichung "Cryogenics" bekannte Detektionseinrichtung. Dies hat unter anderem zur Folge, daß bei gleichem Abschirmungsaufwand mittels einer Kammer auf die Verwendung von Gradiometern verzichtet werden kann und nur noch Magnetometer erforderlich sind. Solche Magnetometer lassen sich insbesondere in bekannter Weise konstruktiv einfach in einer einzigen Ebene als ein Array ausbilden. Dies bedingt auch einen geringeren Kühlaufwand. Außerdem ist bei einer Verwendung von Magnetometern gegenüber Gradiometern eine bessere Flußeinkopplung in das jeweilige SQUID gewährleistet, da die Verlust- bzw. Serieninduktivität einer eventuellen Kompensationsschleife jeweils weg­ fällt.

Bei der Detektionseinrichtung ist somit mindestens ein schneller Referenz-Magnetometerkanal vorgesehen, dessen Ausgangssignal in die Gegenkopplungszweige aller SQUIDs des Magnetometer-Arrays zusätzlich zu der jeweiligen Magnetometer-Gegenkopplung kompensatorisch einsummiert wird. Dadurch entsteht ein Magnetometer-Array mit einem gemeinsamen Referenzpunkt. Durch diese Maßnahme entfällt vorteilhaft das Erfordernis einer größeren Dynamik und Anstiegsgeschwindigkeit für die SQUIDs des Magnetometer-Arrays. Somit können die üblichen Bausteine der Detektionskanäle von bekannten Detektionseinrichtungen 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-T_c-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-T_c-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 D_n 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 D_n 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 D_n 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 D_n 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 D_n 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 B_z-Störfeldkomponente vorgesehen. Bei der Detektionseinrichtung 2 wird das detektierte Störsignal nicht wie bei bekannten Detektionseinrichtungen nachträglich von den Signalen der Detektionskanäle subtrahiert, 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 D_n 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. Mittels eines Inverters 30 wird das 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 D_n entsprechende Anzahl von Referenzsignalen 31 _n aufgespalten. Jedes Referenzsignal 31 _n wird dann dem je­ weils zugeordneten Detektionskanal D_n über eine Referenzlei­ tung 33 _n mit integriertem einstellbaren Anpassungsglied 34 _n 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_n 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

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 D_n 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 D_n bezüglich 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 D_n und der mindestens eine Kompensationskanal K der Detektionseinrichtung 2 innerhalb einer Abschirmkammer A. Diese Abschirmkammer braucht bei der 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: dB_z/dx, dB_z/dy, dB_z/dz, dB_y/dx, dB_y/dy, dB_y/dz, dB_x/dx, dB_x/dy und dB_x/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 Detektionseinrichtung selbstverständlich noch mit bis zu drei Kompensationskanälen zur Berücksichtigung der li­ near unabhängigen Störfeldkomponenten B_z, B_x und B_y versehen sein. Für das Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 ist ein einzi­ ger Kompensationskanal zum Empfang von Störgradienten, bei­ spielsweise für die dB_z/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 D_n 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 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 D_n, 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 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 Detektionsein­ richtung kann auch dementsprechend ausgeführt sein. Fig. 3 zeigt einen Detektionskanal D_n′ 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. Dieses Gegenkopplungssignal soll 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. Die Stelle der Anordnung des Gegen­ transformators zur Einspeisung von Gegenkopplungssignalen, die durch Kompensationssignale überlagert sind, ist also für die Detektionseinrichtung von untergeordneter Bedeutung.

Selbstverständlich ist es für eine Detek­ tionseinrichtung auch möglich, zum Empfang von Magnetfeldgra­ dienten den Eingangskreis 8 jedes Detektionskanals D_n 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 (17)

1. Detektionseinrichtung zum mehrkanaligen Erfassen schwacher orts- und zeitabhängiger Magnetfelder mindestens einer zu detektierenden, insbesondere biomagnetischen Feldquelle, welche Einrichtung in jedem Detektionskanal ein SQUID-Magnetometer mit folgenden Teilen aufweist:

• a) ein SQUID mit einer SQUID-Schleife als Teil des SQUIDs,
• b) einen dem SQUID nachgeordneten Schaltungsteil einer signalverarbeitenden Elektronik und
• c) einen Gegenkopplungszweig, der von dem nachgeordneten Schaltungsteil zu einem Gegenkopplungstransformator führt, über den induktiv Gegenkopplungssignale den erfaßten Meßsignalen zu einer Linearisierung des SQUIDs zu überlagern sind,

dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich zu den Detektionskanälen (D_n, D_n′) mindestens ein Kompensationskanal (K, K′) zum Erzeugen eines schnellen Kompensationssignals (31 _n, 31 _n′, 52 _n) vorgesehen ist, der eine höhere Dynamik der Signalverarbeitung als die Detektionskanäle aufweist und dessen an einem seinem SQUID (25) nachgeordneten Schaltungsteil (26) einer schnellen Elektronik gewonnenes Kompensationssignal in die Gegenkopplungszweige (15, 58) der Detektionskanäle über Anpassungsglieder (34 _n, 51 _n) so einzuspeisen ist, daß das Kompensationssignal das jeweilige Gegenkopplungssignal (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 (D_n, 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.

6. Detektionseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß eine Wicklung 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 (D_n, D_n′, K, K′) eingekoppelten Signale vorgesehen sind.

10. Detektionseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Kompensationskanal (K) die Fläche der die Signale (4) der Feldquelle detektierenden Schleife (21) größer als die detektierende Fläche jeder Schleife (3) der Detektionskanäle (D_n) ist.

11. Detektionseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Kompensationskanal (K′) die Signale (4) der Feldquelle mittels eines Gradiometers (46) erster Ordnung zu detektieren sind.

12. Detektionseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Ausgangssignal (31, 49) des Kompensationskanals (K, K′) zunächst einem Referenzpunkt (32, 50) zuzuführen ist, wo es in eine der Anzahl der Detektionskanäle (D_n, D_n′) 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 eine diesen Komponenten entsprechende Anzahl von Kompensationskanälen vorgesehen sind, deren Kompensationssignale mittels der Anpassungsglieder individuell gewichtet den jeweils zugeordneten Gegenkopplungstransformatoren zuzuführen sind.

14. Detektionseinrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß für bis zu fünf linear unabhängige Störgradientenkomponenten eine diesen Komponenten entsprechende Anzahl von Kompensationskanälen vorgesehen sind, deren Kompensationssignale mittels der Anpassungsglieder individuell gewichtet den jeweils zugeordneten Gegenkopplungstransformatoren zuzuführen sind.

15. Detektionseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß als Anpassungsglieder einstellbare Widerstände (34 _n) oder regelbare Verstärker (51 _n) vorgesehen sind.

16. Detektionseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 15, gekennzeichnet durch deren Anordnung in einer Abschirmkammer (A).