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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung für ein Magnetometer, welches aus einem SQUID-Sen- sor und einem Flusstransformer besteht, wobei der Flusstransformer eine Detektorspule, vorzugsweise ein Gradiometer, welche bzw. welches den zu messenden Magnetfluss empfängt und eine Signal- spule aufweist, die den gemessenen Magnetfluss an den Ring des SQUID-Sensors koppelt, der mit einer Auswerteelektronik verbunden ist, und dass der Flusstransformer und der SQUID-Sen- sor in flüssigem Helium angeordnet sind.
In den letzten Jahren ist das Interesse an der Messung von Magnetfeldern, die durch lebendes
Gewebe erzeugt werden, gewachsen. Durch den sogenannten SQUID-Sensor (Superconducting Quantum
Interference Device) steht erst seit einiger Zeit ein ausreichend empfindliches Messsystem zur
Messung dieser kleinen Felder zur Verfügung. Die von verschiedenen Organen des menschlichen
Körpers erzeugten Felder sind in der Grössenordnung von Pikotesla und darunter. Die Empfindlichkeit eines typischen SQUID-Sensors beträgt 10 E-14 T/sqrt (Hz) in einem Frequenzbereich von de bis 20 kHz. In einem bestimmten Frequenzbereich treten jedoch auch Störfelder auf, deren Amplituden um Grössenordnungen über den zu messenden Feldern liegen.
Die am häufigsten auftretenden Störquellen sind die Felder von Versorgungsleitungen, das Erdmagnetfeld, sowie Felder, die durch die Bewegung grosser ferromagnetischer Massen wie z. B. Autos, Lifte usw. im Erdmagnetfeld entstehen. Zur Verbesserung des Signal-Stör-Verhältnisses verwendet man geschirmte Räume, Aufnehmerspulen in Gradiometer-Konfiguration oder eine Kombination der beiden Möglichkeiten. Überall dort, wo es möglich ist, werden Gradiometer, wegen ihres geringen Preises im Vergleich zu geschirmten Räumen, bevorzugt. Gradiometer unterdrücken die Störfelder auf Grund der grösseren Homogenität im Vergleich mit den zu messenden Feldern mit bis zu 120 dB.
Zu supraleitenden Körpern im Magnetfeld ist weiters allgemein zu sagen, dass sich durch Abschirmströme externe Magnetfelder aus dem Inneren verdrängen lassen. Die Abschirmströme fliessen in sehr dünnen Oberflächenschichten der supraleitenden Körpern bzw. Leitungen. Die Eindringtiefe bei Niob beträgt zirka 32 nm. Bis zu Feldstärken, bei denen der Zustand der Supraleitung durch die Energiezufuhr aus dem Feld instabil wird und ganz oder in Teilbereichen des Körpers in Normalleitung übergeht, verhält sich der Supraleiter bei Abmessungen, die gross sind gegen die Eindringtiefe wie ein idealer Diamagnet, und schirmt somit perfekt gegen äussere Magnetfelder ab.
Die Fig. l zeigt das Schema eines typischen bekannten einkanaligen SQUID-Sensors bzw.
Magnetometers : Hiebei ist die Detektorspule --Ld--, welche vorzugsweise als Gradiometer konfiguriert ist, mit der Signalspule --Ls-- verbunden. Diese Anordnung, der sogenannte Flusstransformer, ist supraleitend ausgeführt und befindet sich in flüssigem Helium --3-- mit zirka 4, 20 K. Der in die Detektorspule --Ld-- eingekoppelte zu messende Fluss 0 m erzeugt im Flusstransformer einen supraleitenden Abschirmstrom I. Dieser Strom I koppelt von der Signalspule --Ls-- aus
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temperatur, während Flusstransformer und SQUID im schon erwähnten Bad aus flüssigem Helium --3-- supraleitend gehalten werden.
Die Aufgabe der Erfindung besteht nun darin, unter Heranziehung der genannten physikalischen Gesetzmässigkeit bei supraleitenden Körpern im Magnetfeld eine Vorrichtung zu schaffen, mit der mehrere Detektorspulen zur Signalspule eines einzigen SQUID-Sensors gekoppelt werden können und wobei die durch die verschiedenen Detektorspulen erfassten magnetischen Flüsse im Zeitmultiplexverfahren ausgewertet werden.
Die Aufgabe wird durch die Erfindung gelöst. Diese ist dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Detektorspulen vorgesehen sind, von denen jede mit einer Primärwicklung von supraleitenden Übertragern verbunden ist und dass die Sekundärwicklungen dieser Übertrager in Serie mit der Signalspule geschaltet sind, und wobei die magnetische Kopplung zwischen den beiden Wicklungen eines jeden Übertragers mit supraleitenden Schirmplatten zwischen einer jeden Primär- und Sekundärwicklung mechanisch von ausserhalb des supraleitenden Bereiches des Magnetometers veränderbar ist. Es ist somit erstmals möglich, mit nur einem SQUID-Sensor ein mehrkanaliges Magnetometer zu realisieren.
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Ausserdem wird auch die Bandbreite des Detektors, die gross ist im Vergleich zu den in
Frage kommenden biomagnetischen Signalen, besser ausgenutzt.
Als Übertrager bzw. Koppelelemente kommen natürlich nur Vorrichungen in Frage, die supraleitend ausführbar sind. Resistive Elemente scheiden auf Grund ihres thermischen Rauschens aus. Prinzipiell lassen sich alle Formen veränderlicher supraleitender Spulen und Übertrager anwenden, bei denen sich ein Parameter in weitem Bereich verändern lässt. So kann man auch supraleitende Induktivitäten mit beweglichem Kern verwenden. Der Vorteil der Verwendung von supraleitenden Übertragern liegt in der einfachen mechanischen Realisierung und der hohen erreichbaren Multiplexfrequenz.
Nach der Ausgestaltung der Erfindung ist jeder Übertrager einzeln supraleitend abge- schirmt. Dadurch wird das Übersprechen der Kanäle und das Einkoppeln von externen Störsignalen vermieden.
Von Vorteil ist, dass die Schirmplatten kreisförmige Scheiben mit mindestens einer Sektoraus- nehmung sind und in Abständen auf einer Welle befestigt sind, die in einem supraleitenden Gehäuse angeordnet ist, in welchem Zwischenböden so angeordnet sind, dass sich jede Schirmplatte in einem eigenen Gehäuseteil befindet und dass die Primär- und Sekundärwicklung der einzelnen Übertrager im Bereich der Schirmplatte liegen und jenen Abstand voneinander aufweisen, der der Dicke der Schirmplatte entspricht, welche zwischen den Wicklungen mit einer Geschwindig- keit rotiert bzw. stufenweise weiterschaltbar ist.
Durch die supraleitende Schirmplatte mit den Sektorausnehmungen wird die Kopplung zwischen Primär- und Sekundärwicklung verändert. Im Zustand "weggeschaltet" erreicht die Kopplung ein Minimum. Dies ist dann der Fall, wenn die Schirmplatte zwischen den Wicklungen zu liegen kommt. Beim Zustand "durchgeschaltet" kommt die Kopplung nahe an 1, dabei ist die Schirmplatte aus dem Raum zwischen den Wicklungen entfernt. Es liegt somit gerade im Bereich der Wicklungen eine Sektorausnehmung.
Der Zustand verschwindender Kopplung wird weitgehendst dadurch erreicht, dass die Schirmplatte supraleitend ist, wodurch sie praktisch ideal schirmt, und weiters dadurch dass sie grösser ist als die Wicklungsflächen. Im Zustand der Durchschaltung erreicht die Kopplung bestmögliche Werte dadurch, dass die Primär- und die Sekundärwicklung sehr geringen Abstand und gleiche Flächen in konzentrischer Anordnung aufweisen.
Die Schirmplatte muss daher sehr dünn sein, was ohne Verringerung der Schirmwirkung weitgehend erfüllbar ist, da die Eindringtiefe in supraleitenden Körpern sehr klein ist.
Weiters wird durch das diamagnetische Verhalten der Schirmplatte die effektive Induktivität der Sekundärwicklungen der Übertrager weggeschalteter Kreise stark verringert, wodurch eine Verringerung des zum SQUID-Sensor übertragenen Signals aus dem durchgeschalteten Kanal durch Teilung an der Serienschaltung aus Sekundärwicklungen und Signalspule weitgehend vermieden wird.
Nach einer Weiterbildung der Erfindung sind die Sektorausnehmungen der einzelnen Schirmplatten der Übertrager jeweils in einem andern sich nicht überschneidenden Winkelbereich vorgesehen. Durch die Stellung der Schirmplatten zueinander wird die zeitliche Reihenfolge der Durchschaltung der einzelnen Detektorspulen zum SQUID-Sensor bestimmt.
Eine besondere Ausgestaltung besteht darin, dass die Welle biegsam ausgeführt ist und ausserhalb des supraleitenden Bereiches des Magnetometers mittels eines Motors antreibbar ist.
Mit dem Motor kann die Kopplung der einzelnen Übertrager am einfachsten verändert werden.
Von Vorteil ist weiters, dass jede Schirmplatte mindestens zwei Sektorausnehmungen aufweist.
Dadurch ist eine mehrmalige sequentielle Durchschaltung aller Kanäle pro Umdrehung der Schirmplatten möglich, wodurch die für die zu erreichende Multiplexfrequenz benötigte Umdrehungsgeschwindigkeit herabgesetzt wird.
An Hand der Zeichnungen wird die Erfindung nun noch näher erläutert. Die Fig. l zeigt das Prinzipschaltbild eines bekannten einkanaligen Magnetometers, bestehend aus einem SQUID-Sensor und einem Flusstransformer, Fig. 2 stellt das Prinzipschaltbild des mehrkanaligen Magnetometers dar, aus Fig. 3 ist eine bevorzugte Ausbildung der Übertrager im Längsschnitt erkennbar.
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Fig. 4 zeigt den Übertrager im Schnitt entsprechend der Linie A-A in Fig. 3 und in Fig. 5 ist letztlich das Schema der Gesamtanordnung eines dreikanaligen Vektorgradiometers 2. Ordnung mit Übertragern dargestellt.
Die Fig. l wurde schon an voranstehender Stelle im Text erläutert.
In der Fig. 2 ist das erfindungsgemässe mehrkanalige Magnetometer schematisch dargestellt.
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--Ldl, Ld2, LdN--nachgeschaltet. Ein jeder von ihnen besteht aus einer Primärwicklung und einer Sekundärwicklung mit dazwischen angeordneter Schirmplatte --P 1, P 2, P N--. Die Schirmplatte --P 1, P 2, P N-- kann entfernt werden, wodurch der zu messende Magnetfluss Oml, #m2, mN, der von der jeweiligen Detektorspule-Ldl, Ld2, LdN-- empfangen wird, an die Sekundärwicklung des jeweiligen Über- tragers gekoppelt wird. Die Sekundärwicklungen der Übertrager --U 1, U 2, U N-- sind in Serie geschaltet und diese Serienschaltung ist an die Signalspule --Ls-- angeschlossen.
Um den
Signalverlust durch eine Stromteilung zwischen der Wicklungsinduktivität der Übertrager und der Signalspule --Ls-- bei entfernter Schirmplatte --P 1, P 2, P N--, also bei Durchschaltung des Messflusses in die Signalspule --Ls-- klein zu halten, sollte die Wicklungsinduktivität der Übertrager --Ü 1, Ü 2, Ü N-- gross sein gegenüber der Wicklungsinduktivität der Signalspule --Ls--. Wenn die Schirmplatte --P 1, P 2, P N-- bei einem der Übertrager --Ü 1, Ü 2, Ü N-- entfernt ist, bleibt bei Vernachlässigung der Streuinduktivität eine Querinduktivität von der
Grösse der Wicklungsinduktivität bestehen.
Die Signalspule --Ls-- koppelt über die Gegeninduktivität --Msq-- einen dem Messfluss proportionalen Fluss an den SQUID-Ring --1--. Dieser Fluss wird von der Auswerteelektronik - 2-- erfasst und angezeigt. Die Detektorspulen-Ldl, Ld2, LdN--, die Übertrager --Ü 1, Ü 2, Ü N--, der SQUID-Sensor --Ls, 1-- und die passiven Bauteile-L, C-- der Auswerteelektronik - 2-- befinden sich in flüssigem Helium.
In Fig. 3 ist das Gehäuse --11-- einer Übertragereinheit dargestellt. Dieses ist supraleitend und weiters in einzelne Abschnitte unterteilt, in denen die Übertrager angeordnet sind. Die Schirm- platten --21-- sind auf einer drehbaren Welle --41-- befestigt, die in den Lagern --31-- gehalten wird. Weiters sind bei jedem Übertrager die Primär- --71-- und Sekundärwicklung --61-- im
Raum fixiert, wobei sie voneinander den Abstand der Dicke der Schirmplatte --21-- aufweisen.
Die Zuleitungen --51-- zu den Wicklungen --61, 71-- sind schematisch dargestellt. Die von der Übertragereinheit abgehenden Zuleitungen --51-- sind mit dem SQUID-Sensor verbunden.
Im Schnitt in Fig. 4 ist eine Schirmplatte --21-- in Draufsicht erkennbar. Diese weist zwei Sektorausnehmungen auf. In der gezeigten Darstellung ist gerade eine Kopplung zwischen Primär- und Sekundärwicklung --61-- gegeben. Die grösstmögliche Kopplung ist erreicht, wenn eine Sektorausnehmung im Bereich zwischen den Wicklungen --61, 71-- zu liegen kommt. Die Schirmplatten --21-- sind für weitere Übertrager einer Einheit alle gleichgestaltet, jedoch versetzt angeordnet, so dass immer nur ein Übertrager zur gleichen Zeit durchgeschaltet ist.
Bei Fig. 5 befindet sich der Erfassungsteil des Magnetometers in einem Heliumdewar --12--, welches mit einer thermischen Isolation --22-- umhüllt ist. Im Heliumbereich --32-- sind drei Gradiometer --92--, drei erfindungsgemässe Übertrager als Einheit --102-- und ein SQUID-Sensor --52-- eingetaucht. Die Welle --122-- der Übertragereinheit --102-- ist durch eine Dreh- durchführung --112-- aus dem Dewar --12-- herausgeführt. Die Koaxialleitung --62-- von SQUID-Sensor --52-- ist ebenfalls herausgeführt und mit der Auswerteelektronik verbunden. Bei der Durchführung für die Leitung --62-- und die Welle --122-- sind ausserdem noch Strahlungsschilde --72-- vorgesehen.
Weiters befinden sich die drei Gradiometer --92-- im Sensorteil --82-- des Dewars.
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