DD261847A1

DD261847A1 - ARRANGEMENT FOR MEASURING THE DISTRIBUTION OF SMALL MAGNETIC FIELDS

Info

Publication number: DD261847A1
Application number: DD30355587A
Authority: DD
Inventors: Karl-Heinz Berthel; Joachim Tilgner
Original assignee: Univ Schiller Jena
Priority date: 1987-06-05
Filing date: 1987-06-05
Publication date: 1988-11-09

Abstract

Die Anordnung zur Messung der Verteilung kleinster Magnetfelder ist geeignet fuer die Messung biomagnetischer Felder auch in durch das Erdmagnetfeld oder durch andere niederfrequente Felder gestoerter Umgebung. Sie enthaelt in einer 1. Ebene gitterfoermig angeordnete Magnetometer mit SQUID-Verstaerkung und ein oder mehrere gleiche Kompensationsmagnetometer im festen oder variablem Abstand und weiterhin ein individueller abstimmbares Rueckkopplungsnetzwerk zwischen SQUID-Magnetometern und Kompansationsmagnetometer.The arrangement for measuring the distribution of the smallest magnetic fields is suitable for the measurement of biomagnetic fields, even in an environment contaminated by the earth's magnetic field or by other low-frequency fields. It contains in a first level lattice arranged magnetometer with SQUID amplification and one or more equal compensation magnetometers in a fixed or variable distance and further an individual tunable feedback network between SQUID magnetometers and Kompansungsmagnetometer.

Description

Anwendungsgbiet der Erfindung· FIELD OF APPLICATION OF THE INVENTION

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Messung der örtlichen Verteilung kleinster Magnetfelder, beispielsweise biomagnetischer Felder, unter Benutzung des Gradiometerprinzips und der SQUID-Verstärkung. Dabei muß es möglich sein, darauf empfindliche Messungen auch in durch das Erdmagnetfeld oder durch andere niederfrequente !Felder gestörter Umgebung vorzunehmen, wobei das zu messende Dipolsignal um mehrere Größenordnungen kleiner als das Störsignal ist.The invention relates to an arrangement for measuring the local distribution of the smallest magnetic fields, for example biomagnetic fields, using the Gradiometerprinzips and the SQUID gain. It must be possible to make sensitive measurements in environments that are disturbed by the earth's magnetic field or by other low-frequency fields, whereby the dipole signal to be measured is several orders of magnitude smaller than the interference signal.

Hauptanwendungsgebiet ist die Magnetographie in der Medizin, d.h. also Untersuchungen von magnetischen Aktivitäten des Herzens und des Hirns und der Muskulatur in Form von sog. Mappen. Notwendig und wünschenswert ist dazu die Aufzeichnung des Magnetfeldes an mehreren Orten gleichzeitig. Die Möglichkeit, diese an mehreren Stellen gleichzeitig aufgezeichneten magnetischen Aktivitäten auszuwerten und zu sog. magnetischen Höhenschichtliniendiagrammen zu veTeinen, die auch in ihrer dynamischen Zeitabfolge betrachtet werden können, geben dem Mediziner wichtige Hinweise über den Gesamtablauf einer Reaktion, die Reizentwicklung und -ausbreitung im Hinblick auf Herz und Hirn. Sie sind auch insbesondere geeignet, Auskünfte über krankhafte Veränderungen zu erlangen.Main field of application is magnetography in medicine, i. thus investigations of magnetic activities of the heart and the brain and the musculature in the form of so-called folders. Necessary and desirable is the recording of the magnetic field in several places at the same time. The ability to evaluate these magnetic activities recorded in several places simultaneously and to use so-called magnetic altitude line diagrams, which can also be viewed in their dynamic time sequence, give the physician important information about the overall course of a reaction, the stimulus development and propagation with respect to Heart and brain. They are also particularly suitable for obtaining information about pathological changes.

Weitere Einsatzmöglichkeiten bestehen in der geomagnetischen Prospektion bei der konzentrierten Aufklärung von Anomalien des Erdmagnetfeldes, weiterhin bei der Detektion von Störmagnetfeldern elektrischer Maschinen und deren magnetischer Abstrahlung zum Schutz bestimmter elektrotechnischer Anlagen, einschließlich funktechnischer Anlagen.Further applications are in the geomagnetic prospecting in the concentrated elucidation of anomalies of the earth's magnetic field, also in the detection of interference magnetic fields of electrical machines and their magnetic radiation for the protection of certain electrical equipment, including radio systems.

Die Erfindung kann auch angewendet werden zur Untersuchung und dem Nachweis von Ortsveränderungen eisenhaltiger oder magnetischer Geräte und Gebilde sowohl im kleineren als auch im größeren Rahmen,The invention may also be used to study and detect changes in the location of ferrous or magnetic devices and structures both on a smaller and larger scale,

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Charakteristik des bekannten Standes der TechnikCharacteristic of the known state of the art

Anordnungen zur Messung der Verteilung kleinster Magnetfelder sind bekannt (Physica 126 B (1984) 70). Sie können dadurch realisiert werden, daß man Gradiometer erster, zweiter oder höherer Ordnung derart aufbaut, daß /'mehrere supraleitende oder nichtsupraleitende Schleifen in verschiedenen Ebenen übereinander anordnet, miteinander verbindet, so daß eine geometrische Kompensation örtlich nahezu homogener Magnetfelder durch die Antenne direkt erreicht werden kann. Das Signal muß anschließend nur noch verstärkt werden und wird nach erfolgter Verstärkung mit dem Signal eines oder mehrerer Kompensationsgradiometer verglichen. Der Uachteil dieser technischen Lösung besteht darin, daß nicht allein die Notwendigkeit besteht, mehrere Schleifen in einer Ebene anzuordnen, sondern daß räumliche Gebilde in Form von Gradiometern eng benachbart untergebracht werden müssen. Daraus resultiert eine gegenseitige Störung dieser Gebilde, die mit üblichen Mitteln zur Kompensation und Abstimmung eines Gradiometers mit supraleitendem Material oder zusätzlichen Einzelgradic— metern nicht beseitigt werden kann. Es muß also in jedem EaIl ein großer Störpegel für jedes einzelne Gradiometer und eine Nichtabgestimmtheit der einzelnen Elemente in Kauf genommen werden. Hur durch Einsatz elektronischer Mittel kann der Kompensationszustand in Grenzen verbessert werden. Der dafür erforderliche Aufwand wäre allerdings erheblich.Arrangements for measuring the distribution of the smallest magnetic fields are known (Physica 126 B (1984) 70). They can be realized by constructing gradiometers of the first, second or higher order such that a plurality of superconducting or non-superconductive loops are arranged one above the other in different planes, so that a geometric compensation of locally nearly homogeneous magnetic fields by the antenna is achieved directly can. The signal then only has to be amplified and is compared to the gain of the signal of one or more Kompensationsgradiometer. The Uachteil this technical solution is that not only is the need to arrange several loops in a plane, but that spatial structures must be accommodated in the form of gradiometers closely adjacent. This results in a mutual interference of these structures, which can not be eliminated by conventional means for compensation and tuning a gradiometer with superconducting material or additional Einzelgradi-- meters. It must therefore be taken in each EaIl a large noise level for each gradiometer and a Nichtableichimmtheit of the individual elements in purchasing. By using electronic means, the compensation state can be improved within limits. The required effort would be considerable.

Praktisch besteht nur für ein einzelnes Gradiometer die Möglichkeit der ezakten Abstimmung durch Anordnung dreier Schleifen in räumlich günstigen Positionen. Bei der gewünschten und für manche Meßaufgaben notwendigen Anordnung mehrerer eng benachbarter Gradiometer würde die Abstimmung jedes einzelnen Gradiometers die der anderen beeinflussen. Die Aufgabe einer vollständigen Kompensation wird damit praktisch unlösbar.Practically, there is the possibility of ezakten vote by arranging three loops in spatially favorable positions only for a single gradiometer. In the desired and necessary for some measurement tasks arrangement of several closely adjacent gradiometer the vote of each gradiometer would affect the other. The task of complete compensation is thus virtually insoluble.

Ziel der Erfindung^ Zi el the invention ^

Ziel der Erfindung ist es, in möglichst vielen Kanälen gleichzeitig messen zu können.The aim of the invention is to be able to measure simultaneously in as many channels as possible.

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Darlegung des Wesens der ErfindungExplanation of the essence of the invention

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine technische Möglichkeit zu schaffen, für mehr als etwa 10 Gradiometer eine vollständige Kompensation zu erreichen, die die Voraussetzung für eine hohe Ortsauflösung und eine hohe Vielkanaligkeit der Messungen garantierteThe invention has for its object to provide a technical possibility to achieve for more than about 10 gradiometer complete compensation, which guaranteed the prerequisite for a high spatial resolution and a high multi-channel nature of the measurements

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch eine Anordnung zur Messung der örtlichen Verteilung kleinster Magnetfelder, beispielsweise biomagnetischer Felder, unter Benutzung des Gradiometerprinzips und der SQUID-Verstärkung gelöst, die eine in einer ersten Ebene gitterförmig angeordnete Anzahl von gleichen Magnetometern, die jeweils aus supraleitenden Schleifen und mindestens einem direkt gekoppelten Dünnschicht-SQÜID bestehen und eine oder mehrere gleiche Kompensationsmagnetometer enthält, die in festen oder variablen Abständen dazu derart angeordnet sind, daß die Flächennormalen ihrer supraleitenden Schleifen zu denen auf der ersten Ebene parallel oder/und senkrecht sind und daß zur vollständigen Kompensierung der jeweiligen j__n ^_8n supraleitenden Schleifen der ersten Ebene durch örtlich nahezu homogene Störmagnetfelder und deren Gradienten erzeugten Signale ein den supraleitenden Schleifen des oder der Kompensationsmagnetometer zugeordneter SQUID-Verstärker mit linearer Übertragungscharakteristik und ein individuell abstimmbares Rückkopplungsnetzwerk zwischen den oder den Kompensationsmagnetometern und den SQUID-Magnetometern der ersten Ebene vorgesehen ist. Die Anordnung kann so aufgebaut werden, daß die Magnetometer der ersten Ebene und das oder die im Abstand dazu angeordneten Kompensationsmagnetometer in einer gemeinsamen Ebene oder in weiteren parallelen, übereinander angeordneten Ebenen liegen. Um jede Art von Störeinflüssen sicher kompensieren zu können ist es vorteilhaft, daß die Elemente des Abstimmnetzwerkes zur Kompensation von Fertigungstoleranzen der SQUlD-Magnetometer der 1. Ebene und/oder räumlicher Variation der Störmagnetfelder in der ersten Ebene sowohl einzeln als auch insgesamt veränderbar sind. Damit wird je nach Anordnung und Aufbau der Gradiometer für eine Vielkanalanordnung die gleiche Kompensationswirkung zur Unterdrückung räumlichAccording to the invention, this object is achieved by an arrangement for measuring the local distribution of the smallest magnetic fields, for example biomagnetic fields, using the Gradiometerprinzips and the SQUID gain, which arranged in a first plane lattice-like number of the same magnetometers, each of superconducting loops and at least consist of a directly coupled thin-film SQÜID and one or more equal compensation magnetometers, which are arranged at fixed or variable intervals so that the surface normals of their superconducting loops to those on the first plane are parallel and / or perpendicular and that for complete compensation of the each _n ^ j_ _8n superconducting loops of the first plane by locally almost homogeneous magnetic interference fields and their gradient signals produced a superconducting loops of or compensation magnetometer associated SQUID amplifier with line Arer transmission characteristic and an individually tunable feedback network between the or the compensation magnetometers and the SQUID magnetometers of the first level is provided. The arrangement may be constructed such that the magnetometers of the first plane and the compensating magnetometer or the spaced apart magnetometers lie in a common plane or in further parallel, superimposed planes. In order to be able to compensate for any kind of interference, it is advantageous that the elements of the tuning network to compensate for manufacturing tolerances of the SQUlD magnetometer of the 1st level and / or spatial variation of the disturbance magnetic fields in the first plane both individually and as a whole are changeable. Thus, depending on the arrangement and structure of the gradiometer for a multi-channel arrangement, the same compensation effect for suppression spatially

homogener Magnetfelder und ihrer Gradienten erzielt, wie bei einem Einkanal-Gradiometer höherer Ordnung. Die Veränderung der Elemente kann sowohl auf optischer als auch auf magnetoresistiver Grundlage erfolgen. Zur Verstärkung der Kompensationssignale wird vorteilhaft ein gleichstrombetriebener Dürms chi cht-SQTJID-Ver stärker mit so hoher Rückkopplung verwendet, daß unabhängig von Größe und frequenz des Störmagnetfeldes ein linearer Zusammenhang zwischen Ein- und Ausgangsspannung für das Kompensationsmagnetometer garantiert ist.homogeneous magnetic fields and their gradients, as in a single-channel gradiometer higher order. The change of the elements can take place both on optical and magnetoresistive basis. To amplify the compensation signals, a DC-powered Dürms chi cht-SQTJID-Ver is used stronger with such high feedback that regardless of size and frequency of the disturbing magnetic field, a linear relationship between input and output voltage for the compensation magnetometer is guaranteed.

Ausführungsbeispielembodiment

Das Wesen der Erfindung soll an einem in der Zeichnung schematisch dargestellten Ausführungsbeispiel näher erläutert werden. Die Eigur zeigt die Anordnung der supraleitenden Schleifen 1 mit den zugehörigen SQUID-Verstärkerη 2 in einer Ebene, über dieser Ebene ist in einer zu dieser parallelen Ebene ein Kompensationsmagnetometer angeordnet. Der Abstand der beiden Ebenen entspricht der Basislänge des Gradiometers. Beide Ebenen bzw. beide Magnetometersysteme sind über ein Kompensationsnetzwerk 4 miteinander verbunden.The essence of the invention will be explained in more detail in an embodiment schematically illustrated in the drawing. The figure shows the arrangement of the superconducting loops 1 with the associated SQUID amplifiers η 2 in a plane, above this plane a compensation magnetometer is arranged in a plane parallel thereto. The distance between the two levels corresponds to the base length of the gradiometer. Both levels or both magnetometer systems are connected to one another via a compensation network 4.

Die Wirkungsweise der Kompensation besteht darin, daß ein von dem Kompensationsmagnetometer 3 aufgefangenes Signal im Kompensationsnetzwerk 4 derart aufbereitet wird, daß es die von den einzelnen Magnetometern in der ersten Ebene aufgefangenen Signale kompensiert.The operation of the compensation is that a signal collected by the compensation magnetometer 3 signal in the compensation network 4 is processed such that it compensates for the trapped by the individual magnetometers in the first plane signals.

Dazu besteht das Kompensationsnetzwerk 4- aus galvanisch getrennten, magnetisch verstellbaren oder mechanisch verstellbaren Potentiometern. Die Verbindungsleitungen zwischen allen Teilen sind abgeschirmte Bandleitungen bzw. teilweise supraleitende Bandstreife, nleiter. Zur Verbesserung der Kompensation, d.h. zur Kompensation evtl. Anteile die nicht aus der Grundebane stammen, genauer gesagt, die nicht aus Signalen, die senkrecht zur Grundebene stammen, herrühren, werden weitere zwei Kompensationsmagnetometer 5» 6, senkrecht zueinander und senkrecht zum ersten Kompensationsmagnetometer 3 angeordnet, deren Signale ebenfalls dem Kompensationsnetzwerk zugeführt werden, um eine detaillierte Kompensation geometrischerFor this purpose, the compensation network 4- consists of galvanically separated, magnetically adjustable or mechanically adjustable potentiometers. The connecting lines between all parts are shielded tape lines or partially superconducting tape strip, nleiter. To improve the compensation, i. to compensate for any components that do not originate from the basic plane, more precisely, which do not originate from signals that are perpendicular to the ground plane, two more compensation magnetometer 5 »6, perpendicular to each other and perpendicular to the first compensation magnetometer 3, whose signals are also the Compensation network be fed to a detailed compensation of geometric

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Bichtebenheiten zu garantieren. Das Kompensationsnetzwerk ist so aufgebaut, daß zunächst im Hauptteil jedem Magnetometer der ersten Ebene ein Kompensationssignal zugeführt wird und erst in der zweiten Näherung die individuelle Korrektur der einzelnen Magnetometer der ersten Ebene vorgenommen wird. Die Magnetometer der ersten Ebene, die jeweils aus der supraleitenden Schleife und dem SQUID-Verstärker bestehen, können sowohl in einer Hybridvariante ausgeführt werden als auch einen voll integrierten Schaltkreis einer Siliziumscheibe darstellen. Bringt man zusätzlich ein weiteres Kompensationsmagnetometer in einer dritten parallelen Ebene an, dann läßt sich für die Yielkanalanordnung die Kompensationswirkung eines abgestimmten Gradiometers 2. Ordnung zur zusätzlichen Unterdrückung des Gradienten des quasi homogenen Magnetfeldes erreichen.To guarantee pungency. The compensation network is constructed so that first in the main part of each magnetometer of the first level, a compensation signal is supplied and only in the second approximation, the individual correction of the individual magnetometer of the first level is made. The first-level magnetometers, each consisting of the superconducting loop and the SQUID amplifier, can be implemented both in a hybrid variant and as a fully integrated circuit of a silicon wafer. If one additionally introduces another compensation magnetometer in a third parallel plane, then the compensation effect of a matched second-order gradiometer for additional suppression of the gradient of the quasi-homogeneous magnetic field can be achieved for the Yiel channel arrangement.

Claims

, Arrangement for measuring the local distribution of the smallest magnetic fields, for example biomagnetic fields, using the Gradiometerprinzips and the SQUID gain, t characterized in that they are arranged in a first plane lattice-like number of the same magnetometers, each consisting of a superconducting loop and at least one directly coupled thin-film SQUID and containing one or more equal compensation magnetometers, which are arranged at a fixed or variable distance thereto such that the surface normals of their superconducting loops are parallel to those on the first plane and / or perpendicular and that to complete Kompensi. tion of the respective generated in the superconducting loops of the first level by locally nearly homogeneous noise magnetic fields a the superconducting loops of the or the compensating magnetometer associated SQUID amplifier with linear transmission characteristic and an i individually tunable feedback network is provided between the compensating magnetometer (s) and the first level SQUID magnetometers.

2. Arrangement according to claim 1, characterized t, that the magnetometer of the first plane and the one or more spaced in the compensation magnetometer lie in a common plane.

3. Arrangement according to claim 1, characterized in that the magnetometer of the first plane and the one or more spaced in the compensation magnetometer lie in two parallel, superimposed planes.

4. Arrangement according to claims 2 and 3, characterized in that the elements of Abstimmnetz \ sales to compensate for manufacturing tolerances and / or local variation of the disturbance magnetic fields in the first plane both individually and as a whole are changeable.

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5- arrangement according to claim 4, characterized in that the change of the elements takes place on an optical or magnetoresistive basis.

6. Arrangement according to claim 5, characterized in that for amplifying the compensation signals, a DC-powered thin-film SQUID amplifier is provided with so high feedback that regardless of size and frequency of the disturbing magnetic field, a linear relationship between input and output voltage for the compensation magnetometer is guaranteed ,

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