DE4216907A1 - Weak magnetic field measurement appts. with SQUID and superconducting transformer circuit - has array of parallel-connected loops arranged on detector surface and coupled to current conductors - Google Patents

Abstract

The measuring appts. includes a SQUID and a transformer circuit comprising an arrangement of detector loops for determining weak, changing magnetic fields from a biomagnetic field source. The signals from the detector loops are inductively coupled to the SQUID by coupling coils. The detection loops form at least one detection surface (F, F'), formed from an array of at least four elemental loops (29a-d, 30a-d). The transformer circuit pref. includes a detector loop arrangement forming a gradiometer of first order with parallel-connected elemental loops. USE/ADVANTAGE - For measuring biomagnetic fields e.g. from human heart or brain. Optimised flux transfer; reduced inductance of coupling coils.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Meßeinrichtung mit einem SQUID und einem supraleitenden Transformatorkreis, derThe invention relates to a measuring device with a SQUID and a superconducting transformer circuit, the

• - eine mindestens eine Detektionsfläche festlegende Detek­ tionsschleifenanordnung zur Erfassung eines schwachen, sich zeitlich ändernden Magnetfeldes einer insbesondere biomagne­ tischen Feldquelle,- A detector defining at least one detection surface tion loop arrangement for detecting a weak, itself time-changing magnetic field of a biomagne in particular table field source,
• - eine Koppelspule zur induktiven Einkopplung der an der De­ tektionsschleifenanordnung gewonnenen Meßsignale in das SQUID sowie- A coupling coil for inductive coupling of the De tection loop arrangement obtained measurement signals in the SQUID such as
• - zwischen der Detektionsschleifenanordnung und der Koppelspu­ le verlaufende Verbindungsleiter enthält.- Between the detection loop arrangement and the coupling coil le running connecting conductor contains.

Eine derartige SQUID-Meßeinrichtung ist z. B. aus "Rev. Sci. Instrum.", Vol 53, No. 12, Dez. 1982, Seiten 1815 bis 1845, insbesondere Fig. 8 und 11 bekannt.Such a SQUID measuring device is e.g. B. from "Rev. Sci. Instrum.", Vol 53, No. 12, Dec. 1982, pages 1815 to 1845, in particular FIGS. 8 and 11.

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. EI. 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). With superconducting quantum interferometers, which are also called "SQUIDs" (abbreviation of: Superconducting QUantum Interference Devices) are particularly weak to measure magnetic fields (see, for example, "IEEE Trans. EI. Dev. ", Vol. ED-27, No. 10, Oct. 1980, pages 1896 to 1908). It is therefore also a preferred area of application for SQUIDs viewed the medical diagnostics because they occur there the biomagnetic signals, e.g. B. from the human heart or magnetic fields generated by the human brain, only field induce strengths in the pT area (magnetocardiography or Magnetoencephalography).  

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 wenig­ stens eine als Gradiometer oder Magnetometer gestaltete Anten­ ne, eine Koppelspule, einen SQUID-Kreis mit in ihn integrier­ tem SQUID, eventuell eine Modulationsspule, sowie Verstärker und eine Auswerteelektronik. Bis auf die Verstärker und die Auswerteelektronik bestehen die genannten Teile aus supralei­ tendem Material und sind deshalb in einem Kryosystem unterge­ bracht, um in ihnen supraleitende Betriebsbedingungen zu er­ möglichen. Die Antenne weist mindestens eine Detektionsschlei­ fe zur Erfassung der Magnetfelder der zu detektierenden Feld­ quelle auf. Das entsprechende Eingangssignal gelangt dann über mit der Detektionsschleife verbundene supraleitende Verbin­ dungsleiter zu der Koppelspule. Mit Hilfe dieser Spule wird das Meßsignal induktiv in den SQUID-Kreis transformiert. Die Antenne und die Koppelspule bilden dabei einen geschlossenen supraleitenden Stromkreis, der als ein Flußtransformator anzu­ sehen ist und deshalb auch als Flußtransformatorkreis bezeich­ net wird. Zur Messung des in den SQUID-Kreis eingekoppelten Flusses oder von entsprechenden Flußgradienten werden sowohl RF-SQUIDs (Hochfrequenz- bzw. Radio-Frequency-SQUIDs) als auch DC-SQUIDs (Gleichstrom- bzw. Direct-Current-SQUIDs) einge­ setzt. Eine Meßeinrichtung mit einer Vielzahl von entsprechend ausgestalteten Meßkanälen geht z. B. aus "Cryogenics", Vol. 29, August 1989, Seiten 809 bis 813 hervor.A corresponding facility for recording and processing such weak, location and time-dependent magnetic fields or corresponding magnetic field gradient has at least one NEN measuring or detection channel. This channel contains little at least one antenna designed as a gradiometer or magnetometer ne, a coupling coil, a SQUID circuit integrated into it tem SQUID, possibly a modulation coil, and amplifier and evaluation electronics. Except for the amplifiers and the Evaluation electronics, the parts mentioned consist of supralei material and are therefore housed in a cryosystem brings to them superconducting operating conditions possible. The antenna has at least one detection loop fe for detecting the magnetic fields of the field to be detected swell. The corresponding input signal then passes through superconducting connector connected to the detection loop wire to the coupling coil. With the help of this coil the measurement signal is inductively transformed into the SQUID circuit. The The antenna and the coupling coil form a closed one superconducting circuit to act as a flux transformer is seen and therefore also referred to as a flux transformer circuit is not. To measure what is coupled into the SQUID circuit Flow or corresponding flow gradients are both RF SQUIDs (radio frequency or radio frequency SQUIDs) as well DC-SQUIDs (direct current or direct current SQUIDs) turned on puts. A measuring device with a variety of accordingly configured measuring channels goes z. B. from "Cryogenics", Vol. 29, August 1989, pages 809 to 813.

Bei den bekannten Meßeinrichtungen bildet die mindestens eine Detektionsschleife eine Detektionsschleifenanordnung mit einer vorbestimmten Detektionsfläche zur Erfassung des Magnetfeldes einer zu detektierenden Feldquelle. Diese Schleifenanordnung hat dabei eine bestimmte Induktivität, die damit auch den in dem Flußtransformator zu erzeugenden Induktionsstrom festlegt. Zu einer Optimierung des Flußtransfers auf die Koppelspule muß dann diese so ausgelegt werden, daß deren Induktion zumindest weitgehend gleich groß ist wie die der Detektionsschleifenan­ ordnung (vgl. die eingangs genannte Literaturstelle aus "Rev. Sci. Instrum.", Seite 1826, rechte Spalte). Die entsprechende Flußeinkopplung in den SQUID-Kreis läßt sich dann durch fol­ gende Beziehung beschreiben:In the known measuring devices, it forms at least one Detection loop a detection loop arrangement with a predetermined detection area for detecting the magnetic field a field source to be detected. This loop arrangement has a certain inductance, which also  the flux transformer to generate induction current. To optimize the flow transfer to the coupling coil then these are designed so that their induction at least is largely the same size as that of the detection loops order (cf. the above-mentioned literature from "Rev. Sci. Instrum. ", Page 1826, right column). The corresponding Flow coupling into the SQUID circuit can then be done by fol Describe the relationship:

Dabei sindAre

Φ_sq der Fluß im SQUID-Kreis
Φ_ex der in der Detektionsschleifenanordnung hervorgerufene Fluß
k der magnetische Koppelfaktor zwischen der Koppelspule und dem SQUID
L_sq die Induktivität des SQUID-Kreises
L_i die Induktivität der Koppelspule und
N L_i die Summe aller Induktivitäten in dem Flußtrans­ formator, wobei N2 ist.Φ _sq the flow in the SQUID circle
Φ _ex the flow caused in the detection loop arrangement
k the magnetic coupling factor between the coupling coil and the SQUID
L _{sq is} the inductance of the SQUID circuit
L _i the inductance of the coupling coil and
NL _{i is} the sum of all inductances in the flux transformer, where N2 is.

Aus der vorgenannten Beziehung ist ersichtlich, daß der in den SQUID-Kreis einzukoppelnde magnetische Fluß von der Größe der Induktivität der Koppelspule und damit auch von der Induktivi­ tät der Detektionsschleifenanordnung abhängig ist.From the above relationship it can be seen that the in the SQUID circuit to be coupled in magnetic flux of the size of the Inductance of the coupling coil and thus also of the inductance is dependent on the detection loop arrangement.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die Flußeinkopplung in den SQUID-Kreis einer Meßeinrichtung mit den eingangs ge­ nannten Merkmalen zu verbessern.The object of the present invention is the flow coupling in the SQUID circuit of a measuring device with the ge mentioned features to improve.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die min­ destens eine Detektionsfläche der Detektionsschleifenanordnung mit mehreren nebeneinanderliegenden Teilschleifen belegt ist, die bezüglich der in ihnen induzierten, auf die Verbindungs­ leiter übertragenen Ströme parallelgeschaltet sind.This object is achieved in that the min at least one detection area of the detection loop arrangement  is occupied with several adjacent loops, those regarding the induced in them on the connection conductor-transmitted currents are connected in parallel.

Die mit dieser Ausgestaltung der Meßeinrichtung verbundenen Vorteile sind insbesondere darin zu sehen, daß durch die Bele­ gung der Detektionsfläche mit einer Vielzahl von parallelge­ schalteten Teilschleifen die Gesamtinduktivität der Detek­ tionsschleifenanordnung gegenüber einer nicht-unterteilten An­ ordnung entsprechend erniedrigt wird. Auf diese Weise ist die Möglichkeit geschaffen, bei optimalem Flußtransfer über den Flußtransformator auch die Induktivität der Koppelspule ent­ sprechend zu erniedrigen. Diese Erniedrigung der Induktivität der Koppelspule bewirkt dann eine vorteilhafte Erhöhung der Flußeinkopplung in den SQUID-Kreis.The associated with this configuration of the measuring device Advantages can be seen in particular in that Bele Detection area with a variety of parallelge switched partial loops the total inductance of the Detek tion loop arrangement versus an undivided type order is lowered accordingly. In this way it is Possibility created with optimal flow transfer over the Flux transformer also ent the inductance of the coupling coil to humiliate speaking. This decrease in inductance the coupling coil then brings about an advantageous increase in Flow coupling into the SQUID circuit.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Meßeinrich­ tung gehen aus den abhängigen Ansprüchen hervor.Advantageous embodiments of the measuring device according to the invention tion emerge from the dependent claims.

Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird nachfolgend auf die schematische Zeichnung Bezug genommen, in deren Fig. 1 der prinzipielle Aufbau eines Flußtransformators mit nachge­ ordnetem SQUID-Kreis einer bekannten Meßeinrichtung veran­ schaulicht ist. Aus Fig. 2 geht in entsprechender Darstellung der Aufbau einer erfindungsgemäßen Meßeinrichtung hervor. Fig. 3 zeigt eine weitere Detektionsschleifenanordnung einer Meßeinrichtung nach der Erfindung. In den Figuren sind sich entsprechende Teile mit denselben Bezugszeichen versehen.To further explain the invention, reference is made below to the schematic drawing, in FIG. 1 of which the basic structure of a flux transformer with a downstream SQUID circuit of a known measuring device is illustrated. From Fig. 2, the construction of a measuring device according to the invention shows in a corresponding representation. Fig. 3 shows a further detection loop arrangement of a measuring device according to the invention. In the figures, corresponding parts are provided with the same reference symbols.

Die in Fig. 1 schematisch dargestellten Teile eines Meßkanals sind bei bekannten Meßeinrichtungen allgemein gebräuchlich (vgl. z. B. die eingangs genannte Literaturstelle aus "Rev. Sci. Instrum.", Fig. 11). Der Meßkanal einer entsprechenden, allgemein mit 2 bezeichneten Meßeinrichtung enthält hier als Detektionsschleifenanordnung eine einzige Detektionsschleife 3. Mit dieser ein Magnetometer bildenden Detektionsschleife ist ein von mindestens einer zu detektierenden Feldquelle er­ zeugtes magnetisches Feld zu empfangen. Das entsprechende Feldsignal 4 kann insbesondere im Falle einer biomagnetischen Feldquelle verhältnismäßig niederfrequent sein. Es ruft an der Detektionsschleife 3 ein allgemein mit 5 bezeichnetes Meßsi­ gnal in Form eines Induktionsstromes hervor. Dieses Meßsignal wird über zwei supraleitende Verbindungsleiter 6a und 6b einer Koppelspule 7 zugeführt, über die es induktiv in eine Schleife 8 eines DC-SQUIDs 10 eingekoppelt wird. Die Detektionsschleife 3, die Verbindungsleiter 6a und 6b sowie die Koppelspule 7 bilden so einen allgemein mit 11 bezeichneten supraleitenden Flußtransformatorkreis. Das mit Hilfe des SQUIDs 10 erzeugte SQUID-Signal wird dann einer nachgeordneten, in der Figur nicht ausgeführten Elektronik zur Weiterverarbeitung und Dar­ stellung zugeleitet.The parts of a measuring channel shown schematically in FIG. 1 are generally used in known measuring devices (cf., for example, the above-mentioned reference from "Rev. Sci. Instrum.", FIG. 11). The measuring channel of a corresponding measuring device, generally designated 2, here contains a single detection loop 3 as the detection loop arrangement. With this detection loop forming a magnetometer, a magnetic field generated by at least one field source to be detected can be received. The corresponding field signal 4 can be relatively low-frequency, in particular in the case of a biomagnetic field source. It causes on the detection loop 3 a generally designated 5 Meßsi signal in the form of an induction current. This measuring signal is fed via two superconducting connecting conductors 6 a and 6 b to a coupling coil 7 , via which it is inductively coupled into a loop 8 of a DC SQUID 10 . The detection loop 3 , the connecting conductors 6 a and 6 b and the coupling coil 7 thus form a superconducting flux transformer circuit, generally designated 11 . The SQUID signal generated with the aid of the SQUID 10 is then fed to downstream electronics, not shown in the figure, for further processing and display.

Die Detektionsschleife 3 hat gemäß der Darstellung nach Fig. 1 eine z. B. etwa quadratische Gestalt und begrenzt so bei ei­ ner Seitenlänge a eine Detektionsfläche F=a². Der in einer solchen Schleife 3 von einem magnetischen Feldsignal 4 mit der magnetischen Induktion B hervorgerufene magnetische Fluß be­ trägt dann1 according to the detection loop 3, the illustration of FIG. Az. B. approximately square shape, thus limiting a detection area F = a ² at egg ner side length a. The magnetic flux caused in such a loop 3 by a magnetic field signal 4 with the magnetic induction B then carries

Φ_ex = F*B.Φ _ex = F * B.

Die Induktivität (Selbstinduktion) der Schleife 3 sei mit L_p bezeichnet. Für den Wert von L_p gilt dabei zumindest annähernd die folgende Beziehung:The inductance (self-induction) of loop 3 is denoted by L _p . The following relationship applies at least approximately to the value of L _p :

L_p = α · µ₀ · 4a,L _p = α · µ₀ · 4a,

wobei α eine Proportionalitätskonstante und µ₀ die magnetische Feldkonstante (Permeabilität) des Vakuums sind. where α is a proportionality constant and µ₀ is the magnetic Are field constant (permeability) of the vacuum.  

Gemäß der Erfindung soll nun die vorgegebene Detektionsfläche F nicht wie gemäß Fig. 1 nur von einer einzigen Detektions­ schleife 3, sondern von mehreren Teilschleifen belegt sein. Diese Teilschleifen sollen dabei an die Verbindungsleiter 6a und 6b so angeschlossen sein, daß die in diesen Teilschleifen durch das Feldsignal 4 der magnetischen Induktion B induzier­ ten Ströme in den angeschlossenen Verbindungsleitern 6a und 6b jeweils einen Strombeitrag in derselben Richtung erzeugen. Ein entsprechendes Ausführungsbeispiel einer Meßeinrichtung ist in Fig. 2 angedeutet. Die dort mit 12 bezeichnete Meßein­ richtung nach der Erfindung enthält deshalb auf der Detek­ tionsfläche F eine Detektionsschleifenanordnung 13 aus vier Teilschleifen 14a bis 14d. Der in der Detektionsschleifenan- ordnung 13 hervorgerufene magnetische Fluß Φ_ex hat dabei an­ nähernd wie im Fall der Fig. 1 die Größe Φ_ex≃F*B. Die Teilschleifen 14a bis 14d bilden zusammen mit den Verbindungs­ leitern 6a und 6b und einer Koppelspule 15 einen Flußtransfor­ matorkreis 16. Das Verknüpfungszentrum der Teilschleifen 14a bis 14d etwa in der Mitte der Detektionsschleifenanordnung ist mit 17 bezeichnet. Die einzelnen Verknüpfungspunkte der Teil­ schleifen mit den Verbindungsleitern 6a und 6b sind in der Fi­ gur verstärkt angedeutet und allgemein mit 18 bezeichnet.According to the invention, the predetermined detection area F is now not to be occupied by a single detection loop 3 , as in FIG. 1, but by several partial loops. These partial loops should be connected to the connecting conductors 6 a and 6 b so that the currents induced in these partial loops by the field signal 4 of the magnetic induction B currents in the connected connecting conductors 6 a and 6 b each generate a current contribution in the same direction. A corresponding embodiment of a measuring device is indicated in Fig. 2. The there designated 12 Meßein direction according to the invention therefore contains on the detection area F a detection loop arrangement 13 from four sub-loops 14 a to 14 d. The magnetic flux Φ _{ex produced} in the detection loop arrangement 13 has the size Φ _ex ≃F * B approximately as in the case of FIG. 1. The partial loops 14 a to 14 d together with the connecting conductors 6 a and 6 b and a coupling coil 15 form a flux transformer circuit 16 . The linkage center of the partial loops 14 a to 14 d approximately in the middle of the detection loop arrangement is denoted by 17 . The individual connection points of the part loops with the connecting conductors 6 a and 6 b are indicated in the figure and are generally designated 18 .

Jede einzelne etwa quadratische Teilschleife mit der Seiten­ länge a/2 hat dabei eine Einzelinduktivität L_a. Alle Teil­ schleifen führen zu einer Gesamtinduktivität L_p′ der Detek­ tionsschleifenanordnung 13, die aufgrund der Parallelschal­ tung der Teilschleifen etwa um einen Faktor 0,25 kleiner ist als die Einzelinduktivität L_a einer Teilschleife, d. h.Each individual approximately square loop part with the side length a / 2 has an individual inductance L _a . All part loops lead to a total inductance L _p 'of the detection loop arrangement 13 , which is approximately a factor of 0.25 smaller than the individual inductance L _{a of} a partial loop due to the parallel connection of the partial loops, ie

L_p′≈(1/4) · L_a.L _p ′ ≈ (1/4) · L _a .

Hierbei ist angenommen, daß die Teilschleifen untereinander nicht stark magnetisch gekoppelt sind, d. h., die Gegeninduktivität zwischen den Teilschleifen «L_a ist. Für den Wert von L_a gilt folgende Beziehung:It is assumed here that the partial loops are not strongly magnetically coupled to one another, ie the mutual inductance between the partial loops is «L _a . The following relationship applies to the value of L _a :

L_a = α · µ₀ · 2aL _a = α · µ₀ · 2a

wegen der Seitenlänge a/2 der Teilschleifen. Da auch hier die Forderung nach zumindest annähernd gleicher Induktivität der Detektionsschleifenanordnung 13 und der Koppelspule 15 vor­ teilhaft ist, gilt:because of the side length a / 2 of the partial loops. Since the requirement for at least approximately the same inductance of the detection loop arrangement 13 and the coupling coil 15 is also geous here, the following applies:

L_i′=L_p′=(1/4) · -l_a.L _i ′ = L _p ′ = (1/4) · -l _a .

Dabei ist L_i′ die Induktivität der Koppelspule 15. Drückt man nun die Induktivität L_p der Detektionsschleife 3 bzw. die In­ duktivität L_i der Koppelspule 7 nach Fig. 1 in Einheiten von L_a aus, so gilt:L _i 'is the inductance of the coupling coil 15 . If one now expresses the inductance L _{p of} the detection loop 3 or the inductance L _{i of} the coupling coil 7 according to FIG. 1 in units of L _a , the following applies:

L_p=L_i=2*L_a.L _p = L _i = 2 * L _a .

Vergleicht man nun L_p=α · µ₀ · 4a mitIf we now compare L _p = α · µ₀ · 4a with

L_p′=(1/4) · (α · µ₀ · 2a),L _p ′ = (1/4) · (α · µ₀ · 2a),

so erkennt man, daß sich mit den erfindungsgemäßen Maßnahmen die Induktivität der Detektionsschleifenanordnung etwa um einen Faktor 8 reduzieren läßt. Mit einer an die Induktivität L_p′ angepaßten Koppelspule 15 der Induktivität L_i′ kann man also die Flußeinkopplung Φ_sq/Φ_ex um einen Faktor verbessern.it can thus be seen that the measures according to the invention can reduce the inductance of the detection loop arrangement by a factor of about 8. With a coupling coil 15 of the inductance L _i 'adapted to the inductance L _p ', the flux coupling Φ _sq / Φ _{ex can} be improved by a factor.

Wenn allerdings eine magnetische Verkopplung der Teilschleifen untereinander gegeben ist, dann ergibt sich:However, if there is a magnetic coupling of the partial loops is given among each other, then results in:

L_p′<(1/4) · L_a.L _p ′ <(1/4) · L _a .

Das heißt, die Reduzierung der Induktivität ist noch größer als um einen Faktor 8 und die Flußeinkopplung noch entsprechend verbessert.That means the reduction in inductance is even greater than by a factor of 8 and the flux coupling is still corresponding improved.

Für eine perfekte magnetische Verkopplung der Teilschleifen ergäbe sich für das in Fig. 2 gewählte Ausführungsbeispiel mit vier Teilschleifen annähernd die folgende Beziehung:For a perfect magnetic coupling of the partial loops, the following relationship would result approximately for the exemplary embodiment selected in FIG. 2 with four partial loops:

L_p′≈(1/4) · (1/2) · L_a = (1/16) · L_a.L _p ′ ≈ (1/4) · (1/2) · L _a = (1/16) · L _a .

Eine starke Kopplung der Teilschleifen untereinander läßt sich z. B. dadurch realisieren, daß man parallel zu den Leiterstücken der einzelnen Teilschleifen jeweils eine supraleitende Leiterbahn anordnet, wobei die Ausbildung von geschlossenen Ringstrukturen aus diesen Leiterbahnen vermieden werden muß. Zwei entsprechende Ausführungsbeispiele sind in den Fig. 3 und 4 angedeutet, wobei jeweils die Detektionsschleifenanordnung 13 der Fig. 2 zugrundegelegt ist.A strong coupling of the partial loops can be z. B. realize by arranging a superconducting conductor track parallel to the conductor pieces of the individual partial loops, the formation of closed ring structures from these conductor tracks must be avoided. Two corresponding exemplary embodiments are indicated in FIGS. 3 and 4, the detection loop arrangement 13 of FIG. 2 being used as a basis in each case.

Gemäß Fig. 2 sind die vier Teilschleifen 14a bis 14d der De­ tektionsschleifenanordnung 13 weitgehend auf einer gemeinsamen supraleitenden Leiterstruktur 20 angeordnet, die als eine supraleitende Grundebene insbesondere auf Erdpotential liegen und auch als sogenannte "groundplane" angesehen werden kann. Diese in der Figur durch eine Schraffur veranschaulichte Leiterstruktur 20 weist von den Leiterstücken der einzelnen Teilschleifen überbrückte Unterbrechungen oder Aussparungen in ihren streifenförmigen Leiterbahnen 20i auf, damit sich keine supraleitenden Ringstrukturen innerhalb der Leiterstruktur 20 ergeben können. Aus diesem Grunde ist im Bereich des Verknüp­ fungszentrums 17 der Teilschleifen eine Aussparung 22 vorge­ sehen. Gegebenenfalls kann diese Aussparung auch so groß sein, daß nur die den Außenrand der Detektionsschleifenanordnung 13 bildenden Teilstücke der Teilschleifen 14a bis 14d auf der Leiterstruktur 20 verlaufen. Auf alle Fälle muß jedoch am Au­ ßenrand der Struktur eine weitere Aussparung 23 vorhanden sein. Die Leiterstruktur 20 ist vorteilhaft in Dünnfilmtechnik zu erstellen; gegebenenfalls kann sie jedoch auch aus diskre­ ten, beispielsweise drahtförmigen Leitern aufgebaut sein, die parallel zu den entsprechenden Leiterstücken der Teilschleifen 14a bis 14b angeordnet sind.Referring to FIG. 2, the four partial loops 14 a to 14 d of the de tektionsschleifenanordnung 13 arranged substantially on a common superconducting conductor structure 20, which are present as a superconducting ground plane, in particular at ground potential and can also be regarded as so-called "ground plane". This conductor structure 20 , illustrated by hatching in the figure, has interruptions or cutouts in its strip-shaped conductor tracks 20 i bridged by the conductor pieces of the individual partial loops, so that no superconducting ring structures can result within the conductor structure 20 . For this reason, a recess 22 is seen in the area of the linkage center 17 of the partial loops. If desired, this recess can also be so large that only the outer edge of the detection loop 13 extend arrangement forming part of pieces of the partial loops 14 a to 14 d on the conductor structure 20th In any case, however, a further recess 23 must be provided on the outer edge of the structure. The conductor structure 20 can advantageously be created using thin-film technology; However, if appropriate it can also be constructed from diskre ten, for example, wire-shaped conductors which are arranged parallel to the respective lead pieces of the partial loops 14 a to 14 b.

Fig. 4 zeigt in Fig. 2 oder Fig. 3 entsprechender Darstel­ lung eine weitere Leiterstruktur 25 zur magnetischen Kopplung der Teilschleifen 14a bis 14d gemäß Fig. 2. Da bei dieser Leiterstruktur, abweichend von dem Ausführungsbeispiel der Fig. 3, auch der zentrale Verknüpfungsbereich 17 der Teil­ schleifen von den streifenförmigen Leiterbahnen 25i dieser Leiterstruktur geschlossen ist, muß in diesem Fall am Außen­ rand der Detektionsschleifenanordnung 13 im Bereich jeder ihrer Teilschleifen jeweils mindestens eine Aussparung in den Leiterbahnen der Leiterstruktur 25 vorgesehen werden. Die ent­ sprechenden Trennstellen sind in der Figur mit 26a bis 26d be­ zeichnet. Fig. 4 shows in Fig. 2 or Fig. 3 corresponding presen- tation a further conductor structure 25 for the magnetic coupling of the partial loops 14 a to 14 d according to Fig. 2. Since in this conductor structure, in deviation from the embodiment of Fig. 3, the Central linking area 17 of the part loop is closed by the strip-shaped conductor tracks 25 i of this conductor structure, in this case at least one recess must be provided in the conductor tracks of the conductor structure 25 in the area of each of its partial loops at the outer edge of the detection loop arrangement 13 . The corresponding separation points are marked in the figure with 26 a to 26 d be.

Abweichend von der in Fig. 2 gezeigten Gestalt der Teil­ schleifen 14a bis 14d können diese gegebenenfalls auch andere Formen haben, z. B. rund oder sechseckig geformt sein. Die Schleifen sowie zumindest die ihnen zugeordneten weiteren Tei­ le des Flußtransformatorkreises 16 und der SQUID-Kreis 10 wer­ den hierzu vorteilhaft mittels bekannter Verfahren der Planar­ lithographie als Dünnfilmstrukturen erstellt. Die Begrenzung der geometrischen Größe der einzelnen Teilschleifen nach unten hin und damit die maximale Anzahl von Teilschleifen auf einer Detektionsfläche ist im wesentlichen durch die Lithographie gegeben. Vorteilhaft sind mindestens vier Teilschleifen auf einer Detektionsfläche.Deviating from the shape of the part shown in Fig. 2 loops 14 a to 14 d, these may optionally have other shapes, z. B. be round or hexagonal. The loops and at least the other parts of the flux transformer circuit 16 and the SQUID circuit 10 assigned to them are advantageously created as thin-film structures using known methods of planar lithography. The limitation of the geometric size of the individual partial loops downwards and thus the maximum number of partial loops on a detection area is essentially given by the lithography. At least four partial loops on a detection surface are advantageous.

Die erfindungsgemäßen Maßnahmen erstrecken sich nicht nur auf Magnetometer gemäß den Fig. 2 bis 4, sondern sind ebensogut auch für Gradiometer erster oder höherer Ordnung anwendbar. Ein Aufbau für ein entsprechendes Gradiometer erster Ordnung einer erfindungsgemäßen Meßeinrichtung ist in Fig. 5 angedeu­ tet. Dieses Gradiometer lwird von einer Detektionsschleifenan­ ordnung 28 gebildet, die zur Detektion ein Schleifensystem 29 und zur Kompensation ein Schleifensystem 30 aufweist. Die bei­ den Schleifensysteme 29 und 30 setzen sich dabei gemäß einer der Fig. 2 bis 4 jeweils aus vier Teilschleifen 29a bis 29d bzw. 30a bis 30d zusammen und begrenzen zwei Detektionsflächen F und F′. Diese im allgemeinen gleichgroßen Flächen können in einer gemeinsamen Ebene oder auch in mehreren Ebenen liegen. Die untereinander parallelgeschalteten Teilschleifen jedes der Schleifensysteme sind entsprechend ihrer Detektions- bzw. Kom­ pensationsfunktion mit Verbindungsleitern 6a und 6b verbunden. In entsprechender Weise lassen sich auch Gradiometer höherer Ordnung erstellen, indem man die einzelnen Gradiometerschlei­ fen von bekannten Gradiometern jeweils durch eine erfindungs­ gemäße Detektionsschleifenanordnung mit mehreren Teilschleifen ersetzt. Auch bei diesen Gradiometern können supraleitende Leiterstrukturen gemäß den Fig. 3 und 4 zur magnetischen Verkopplung der einzelnen Teilschleifen vorgesehen werden.The measures according to the invention not only extend to magnetometers according to FIGS. 2 to 4, but can also be used for gradiometers of the first or higher order. A structure for a corresponding first order gradiometer of a measuring device according to the invention is indicated in FIG. 5. This gradiometer 1 is formed by a detection loop arrangement 28 which has a loop system 29 for detection and a loop system 30 for compensation. In the case of the loop systems 29 and 30 , according to one of FIGS. 2 to 4, they each consist of four partial loops 29 a to 29 d or 30 a to 30 d and limit two detection areas F and F '. These areas, which are generally of the same size, can lie in a common plane or in several planes. The sub-loops connected in parallel to each other of each of the loop systems are connected to connecting conductors 6 a and 6 b in accordance with their detection or compensation function. Correspondingly, higher-order gradiometers can also be created by replacing the individual gradiometer loops of known gradiometers with an inventive detection loop arrangement with a plurality of sub-loops. With these gradiometers, superconducting conductor structures according to FIGS. 3 and 4 can also be provided for the magnetic coupling of the individual partial loops.

Die in den Figuren gezeigten Teile von Meßeinrichtungen nach der Erfindung sollen sich auf einer zur Kühlung des für sie verwendeten supraleitenden Materials hinreichenden Tieftempe­ ratur, insbesondere auf der Siedetemperatur des flüssigen He­ liums (LHe) von 4,2 K befinden. Gegebenenfalls können die su­ praleitenden Teile auch aus bekannten metalloxidischen Hoch- T_c-Supraleitermaterialien hergestellt sein, die sich mit flüs­ sigem Stickstoff (LN₂) kühlen lassen. Die Meßeinrichtungen können einen oder mehrere parallele, jeweils zumindest weit­ gehend baugleiche Meßkanäle aufweisen. In den Figuren nicht näher ausgeführte Teile solcher Meßeinrichtungen sind an sich bekannt (vgl. z. B. die genannte Literaturstelle aus "Cryo­ genics").The parts of measuring devices according to the invention shown in the figures should be at a low temperature sufficient for cooling the superconducting material used for them, in particular at the boiling point of the liquid He lium (LHe) of 4.2 K. If necessary, the su-conducting parts can also be made from known metal oxide high-T _c superconductor materials which can be cooled with liquid nitrogen (LN ₂ ). The measuring devices can have one or more parallel, at least largely identical measuring channels. Parts of such measuring devices which are not detailed in the figures are known per se (cf. for example the cited reference from "Cryo genics").

Claims (8)

1. Meßeinrichtung mit einem SQUID und einem supraleitenden Transformatorkreis, der

• - eine mindestens eine Detektionsfläche festlegende Detek­ tionsschleifenanordnung zur Erfassung eines schwachen, sich zeitlich ändernden Magnetfeldes einer insbesondere biomagne­ tischen Feldquelle,
• - eine Koppelspule zur induktiven Einkopplung der an der De­ tektionsschleifenanordnung gewonnenen Meßsignale in das SQUID sowie
• - zwischen der Detektionsschleifenanordnung und der Koppelspu­ le verlaufende Verbindungsleiter

1. Measuring device with a SQUID and a superconducting transformer circuit, the

• a detection loop arrangement defining at least one detection area for detecting a weak, time-changing magnetic field of an in particular biomagneic field source,
• - A coupling coil for inductive coupling of the measurement signals obtained at the detection loop arrangement into the SQUID and
• - Connecting conductor running between the detection loop arrangement and the coupling coil

enthält, dadurch gekennzeichnet, daß die mindestens eine Detektionsfläche (F, F′) der Detektions­ schleifenanordnung (13, 28, 29, 30) mit mehreren nebeneinan­ derliegenden Teilschleifen (14a bis 14d, 29a bis 29d, 30a bis 30d) belegt ist, die bezüglich der in ihnen induzierten, auf die Verbindungsleiter (6a, 6b) übertragenen Ströme (5) paral­ lelgeschaltet sind.contains, characterized in that the at least one detection surface (F, F ') of the detection loop arrangement ( 13 , 28 , 29 , 30 ) with several adjacent loops ( 14 a to 14 d, 29 a to 29 d, 30 a to 30 d) is occupied, which are connected in parallel with respect to the currents ( 5 ) induced in them and transmitted to the connecting conductors ( 6 a, 6 b). 2. Meßeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß auf der Detektionsfläche (F, F′) mindestens vier Teilschleifen (14a bis 14d, 29a bis 29d, 30a bis 30d) angeordnet sind.2. Measuring device according to claim 1, characterized in that on the detection surface (F, F ') at least four partial loops ( 14 a to 14 d, 29 a to 29 d, 30 a to 30 d) are arranged. 3. Meßeinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Transformatorkreis (16) eine ein Gradiometer erster Ordnung bildende Detektionsschlei­ fenanordnung (28) mit einem auf einer ersten Detektionsfläche (F) liegenden Detektionsschleifensystem (29) aus parallelge­ schalteten Teilschleifen (29a bis 29d) und mit einem auf einer zweiten Detektionsfläche (F′) liegenden Kompensationsschlei­ fensystem (30) aus parallelgeschalteten Teilschleifen (30a bis 30d) enthält (Fig. 5).3. Measuring device according to claim 1 or 2, characterized in that the transformer circuit ( 16 ) has a gradiometer of the first order detection loop arrangement ( 28 ) with a on a first detection surface (F) lying detection loop system ( 29 ) from parallel-connected sub-loops ( 29 a to 29 d) and with a lying on a second detection surface (F ') compensation loop system ( 30 ) from parallel partial loops ( 30 a to 30 d) contains ( Fig. 5). 4. Meßeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, da­ durch gekennzeichnet, daß die Teilschlei­ fen (14a bis 14d, 29a bis 29d, 30a bis 30d) zumindest weitge­ hend quadratische Form haben.4. Measuring device according to one of claims 1 to 3, characterized in that the partial loops fen ( 14 a to 14 d, 29 a to 29 d, 30 a to 30 d) have at least largely square shape. 5. Meßeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, da­ durch gekennzeichnet, daß die Induktivi­ tät (L_i′) der Koppelspule (15) an die Gesamtinduktivität (L_p′) der Detektionsschleifenanordnung (13, 28, 29, 30) angepaßt ist.5. Measuring device according to one of claims 1 to 4, characterized in that the inductivity (L _i ') of the coupling coil ( 15 ) to the total inductance (L _p ') of the detection loop arrangement ( 13 , 28 , 29 , 30 ) is adapted . 6. Meßeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, da­ durch gekennzeichnet, daß zu einer ma­ gnetischen Verkopplung der Teilschleifen (14a bis 14d, 29a bis 29d, 30a bis 30d) parallel zu Teilen der Leiter dieser Teil­ schleifen supraleitende Leiterbahnen (20i, 25i) angeordnet sind, die eine gemeinsame Leiterstruktur (20, 25) bilden, wel­ che Aussparungen (23, 26a bis 26d) zur Vermeidung von ge­ schlossenen supraleitenden Ringstrukturen innerhalb der Lei­ terstruktur aufweist (Fig. 3 und 4).6. Measuring device according to one of claims 1 to 5, characterized in that for a magnetic coupling of the partial loops ( 14 a to 14 d, 29 a to 29 d, 30 a to 30 d) grind parallel to parts of the conductor of this part Superconducting conductor tracks ( 20 i, 25 i) are arranged, which form a common conductor structure ( 20 , 25 ), which che recesses ( 23 , 26 a to 26 d) to avoid ge closed superconducting ring structures within the Lei ter structure ( Fig. 3 and 4). 7. Meßeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, da­ durch gekennzeichnet, daß zumindest die Detektionsschleifenanordnung (13, 28, 29, 30) in Dünnfilm­ technik erstellt ist.7. Measuring device according to one of claims 1 to 6, characterized in that at least the detection loop arrangement ( 13 , 28 , 29 , 30 ) is created in thin film technology.