DE3228145A1

DE3228145A1 - Feinabgleicheinrichtung fuer dreispulengradiometer

Info

Publication number: DE3228145A1
Application number: DE19823228145
Authority: DE
Inventors: Silvano 00171 Roma D`Angelo; Ivo 00046 Grottaferrata Roma Modena; Gian Luca 00139 Roma Romani
Original assignee: Consiglio Nazionale delle Richerche CNR
Current assignee: Consiglio Nazionale delle Richerche CNR
Priority date: 1981-07-31
Filing date: 1982-07-28
Publication date: 1983-03-31
Also published as: US4523147A; FR2512965B1; FR2512965A1; IT8149023A0; IT1171429B

Description

Bezeichnung: Feinabgleicheinrichtung für Dreispulen-

gradiometer

Beschreibung:

Die Erfindung bezieht sich auf die Messung schwacher magnetischer Signale in einem Hintergrundrauschen von wesentlich höherer Stärke. Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf eine Einrichtung, welche einen genauen Abgleich eines Zweitableitungs-Gradiometers ermöglicht.

In neuerer Zeit besteht in zunehmendem Maße Interesse an der Messung magnetischer Signale, die durch die physiologische Aktivität verschiedener Organe des menschlichen Körpers erzeugt werden. Diese Messungen wurden ermöglicht durch die Entwicklung hochleitfähiger apparativer Ausrüstungen von ausreichender Empfindlichkeit. Der hierbei verwendete magnetische Detektor ist ein hochleitfähiges Magnetometer, das auch als

"SQUID" (superconducting quantum interference device) or
⁰^ bezeichnet wird. Diese Detektoren haben eine extrem hohe Empfindlichkeit von bis zu 10 Tesla/V-Hz im Frequenzbereich von GloichfiLrom bis 20 KHz. Anderer-

-3228U5

] seits sind beispielsweise die neuromagnetischen Felder extrem schwach, und die Amplituden haben bei stärkeren

— 12 Signalen aufgrund spontaner Aktivität Werte von 10 Tesla, während diese Werte bei induzierten neuromagnetisehen Signalen auf weniger als 10 Tesla absinken können. Diese Werte sind um viele Größenordnungen niedriger als das erdmagnetische Feld und als die magnetischen Störungen der Umgebung, insbesondere aufgrund der Bewegung großer ferromagnetischer Massen (Fahrstühle, Maschinen usw.) und der magnetischen Felder, die durch das Starkstomnetz erzeugt werden.

Es ist daher die Aufgabe gestellt, extrem schwache Signale in Umgebungen zu messen, in denen das magnetische Hintergrundrauschen um viele Größenordnungen höher ist als die eigentlichen Signale.

Um das. zu messende Signal aus dem starken Hintergründrauschen herauszubringen, bestehen zwei Möglichkeiten. Die erste Möglichkeit besteht darin, in magnetisch abgeschirmter Umgebung zu arbeiten, während die zweite Möglichkeit darin besteht, eine räumliche Aussteuerung mit Hilfe eines Zweitableitungs-Gradiometers vorzunehmen.

Die Erfindung bezweckt, eine Einrichtung zu schaffen, welche eine wesentliche Verbesserung der Aussteuerung von Feldern mit konstanten Gradienten unter Verwendung eines Dreispulengradxometers ermöglicht.

Gemäß der Erfindung ist eine Einrichtung vorgesehen, welche die Abstandsdifferenz zwischen den Ebenen der drei Spulen durch Feinverstellung (welche aus einem Bereich außerhalb des Kryostat vorgenommen werden kann) einer der beiden Endspulen zu kompensieren gestattet.

um dies zu erreichen, sind die Spulen nicht auf einem gemeinsamen Trägerkörper aufgewickelt, wie es bisher

3228U5

der Fall war, sondern ihr Trägerkörper besteht aus zwei gegeneinander bewegbaren Teilen. Die zentrale Spule und eine der Endspulen sind um den ersten Teil gewickelt, während der zweite Teil die andere Wicklung aufnimmt und mikrometrisch coaxial bewegbar ist.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnungen näher beschrieben, in denen bevorzugte Ausführungs-•0 formen dargestellt sind, ohne daß hiermit eine Einschränkung beabsichtigt ist.

Fig. 1 zeigt schematisch ein Übersichtsdiagramm

der benutzten Anordnung. 15

Fig. 2 zeigt schematisch und vereinfacht das zum

Abgleich verwendete Zweitableitungs-Gradiometer.

^iKJ Fig. 3 zeigt eine Draufsicht auf ein Gradiometer,

das mit einer Einrichtung gemäß der Erfindung ausgerüstet ist.

¹I' , _D zeigen Schnitte in den Ebenen A-A und B-B unct j ü

gemäß Fig. 3.

Fig. 3 C zeigt einen Schnitt nach der Ebene C-C der Fig. 3 A.

Fig. 3 D zeigt einen Schnitt nach der Ebene D-D der

Fig. 3 A.

Fig. 4 zeigt weitere Einzelheiten der zwei Elemente, welche die Halterung der Spulen bilden.

3228H5

Fig. 5 zeigt Einzelheiten des Stabes, welcher zur

Steuerung der Ortsveränderung der oberen Spule dient.

Fig. 6 2eigt Einzelheiten eines der Kompensationsstäbe der Achsen χ und y.

Fig. 7 zeigt Einzelheiten des Kompensationsstabes

der Achse z.
10

Fig. 8 zeigt als Vergleichsschaubild das Spektrum des Ausgangsrauschens eines Magnetometers üblicher Bauart im Vergleich zu einem Magnetometer gemäß der Erfindung.
15

Wie Fig. 1 zeigt, enthält das Zweitableitungs-Gradiometer die Primärwicklung eines magnetischen Flußtransformators, und die Sekundärwicklung ist eine Spule zur Kopplung mit dem hochleitfähigen Magnetometer oder "SQUID". Dieser Teil des Detektors befindet sich vollständig in einem Kryostat 1 und ist in ein Bad von flüssigem Helium E bei einer Temperatur von 4,2°C eingetaucht. Das Gradiometer

2 enthält drei hintereinander gewickelte Spulen, welche in Normalrichtung die gleichen Oberflächenbereiche haben und deren Windungszahlen im Verhältnis von N, 2N und N stehen. In Fig. 2 sind die Spulen mit den Bezugszeichen 3, 4 und 5 bezeichnet. Die Ebenen, auf denen sich die Spulen befinden, haben gleiche Abstände voneinander (Abstand zwischen den Ebenen: b). Die Wirkungsweise des Gradiometers beruht auf der Tatsache, daß die zentrale Spule 4 (2N Windungen) gegenüber den beiden Endspulen

3 und 5 (welche je N Windungen haben) entgegengesetzt gewickelt ist. Wenn eine solche Anordnung in ein externes magnetisches Feld gebracht wird, so ist der Gesamtwert

des verketteten magnetischen Flusses gleich null, wenn das Feld räumlich konstant ist oder einen konstanten

Gradienten besitzt. Wenn diese Bedingung eingehalten wird, ist das Gradiometer genau abgeglichen.

In der Praxis ist der Wert des verketteten Flusses jedoch niemals genau gleich null, und zwar aufgrund der Ungenauigkeiten der mechanischen Anordnung der Wicklungen. Es sind bereits mehrfach Feinabgleichsysteme verschiedener Art vorgeschlagen worden, jedoch lag allen diesen Systemen das Ziel zugrunde, einen optimalen Ausgleich nur in Bezug auf ein konstantes magnetisches Feld zu erreichen. Das gemeinsame Grundprinzip dieser Systeme bestand darin, daß kleine Windungen oder Platten hochleitfähigen Materials unter den Ebenen der Spulen in geeigneter Weise eingestellt wurden, und zwar bei äußerer Steuerung des Kryostat. Es sind jedoch keine Versuche bekanntgeworden, den Abgleich des Gradiometers auch in Bezug auf den Feldgradienten zu verbessern.

Aufbau und Wirkungsweise des Gegenstandes der Erfindung gehen aus den Fig. 3 - 3D hervor, in denen in mehreren Ansichten bzw. Schnitten sowohl das eigentliche Gradiometer als auch die gemäß der Erfindung vorgesehene Feinabgleicheinrichtung dargestellt sind.

Die Halterung der drei Spulen wird von Elementen 6 und 7 gebildet, und der Halterungsblock der Abgleichsteuerung ist mit dem Bezugszeichen 8 bezeichnet. Element 6 hat einen oberen Fortsatz 9, und es ist mit dem Halterungsblock 8 durch einen Stift 10 verbunden. Die Elemente 6, 7 und 8 enthalten vier Aussparungen bzw. Bohrungen 11, 12, 13 und 14, welche in den drei Elementen fluchten, und in diese Aussparungen greifen Steuerstäbe 15, 16, 17 und 18 ein. Die Stäbe 16, 17 und 18, die zum Abgleich der Achsen x, y und ζ dienen, bestehen aus vier Unterteilungen. Die obere Unterteilung steht mit einem quadratischen Vorsprung 22

(Fig· 6 und 7) in Verbindung, und sie hat am oberen Teil des Kryostat die Aufgabe, die manuelle Steuerung zu ermöglichen. Diese obere Unterteilung ist in den Fig. 3 bis 3D nicht dargestellt, und sie ist in Fig. 1 lediglich schematisch angedeutet. Die zweite Unterteilung, die bei den drei Stäben identisch ist (23 in den Fig. 6 und 7), besitzt ein Gewinde, welches mit den entsprechenden Innengewinden 19, 20 und 21 zusammenarbeitet und die auf- und abwärts gerichtete Bewegung in eine von außen eingeleitete Drehbewegung umsetzt. Die dritte Unterteilung (24 in den Fig. 6 und 7), welche bei den drei Stäben ebenfalls identisch ist, ist ein zylindrischer Körper, welcher über 3/4 seiner Länge aufgeschlitzt und mit der Unterteilung 23 in geeigneter Weise verriegelt ist. Die Verriegelung gestattet eine freie Drehbewegung. Ein Stift 25 stellt die Verbindung zwischen der dritten Unterteilung mit Endteil 26 bzw. 27 her, und er greift in einen Schlitz des Halterungsblocks 8 derart ein, daß keine Drehbewegung möglich ist_f so daß eine Aufwärts- bzw. Abwärtsbewegung erfolgt. Die letzte Unterteilung 26 bzw. 27 ist bei den Stäben 16 und 17, welche zum Abgleich der Achsen χ und y dienen, identisch. Sie ist als Stab ausgebildet, welcher an seinem unteren Endteil vertikal derart ausgefräst ist, daß ein Halb— zylinder mit einer Höhe von 12 mm gebildet ist, an dessen planare Endfläche eine rechteckige Bleiplatte durch Klebung angebracht ist.

Bei Stab 18, welcher zum Abgleichen der Achse ζ dient, 3" ist die vierte Unterteilung nur im Endteil unterschiedlich ausgebildet, welcher nicht ausgefräst ist und die am Bodenteil durch Klebung angebrachte Leiterplatte aufweist. Alle drei Stäbe enthalten Federanordnungen 28, die durch Zylinderschnitte gebildet sind und *" vertikale elastische Glieder bilden, um dadurch eine Hin- und Herbewegung der Stäbe in der Aussparung des

_:: 3228H5

«r 3

Elements 6 zu verhindern.

Stab 15 dient zur Einstellung des Abstandes der oberen Spule von der zentralen Spule. Er ist in Fig. 5 dargestellt. Unterteilung 29, welche der Unterteilung 23 entspricht, enthält ein Zweifach-Schraubengewinde. Das obere Schraubengewinde arbeitet mit Halterung^block 8 zusammen, während das untere Schraubgewinde mit Unterteilung 30 zusammenwirkt, welche durch Stift 25 an einer Drehbewegung gehindert ist. Dieser Stift verbindet auch die zylindrische Unterteilung 30 mit Stab 31, und dieser steht mit Element 7 über ein Schraubgewinde und eine Klebung in Verbindung. Durch Drehung des oberen Stabes kann das halternde Element 7 gegenüber dem Element 6 vertikal verschoben werden, und die je Umdrehung erreichbare Ortsveränderung ist abhängig von der Steigungsdifferenz der Schraubengewinde der Unterteilung 29, und dadurch ist eine feinere Einstellung erreichbar, als es

bei den anderen drei Stäben der Fall ist. 20

Der wesentliche technische Fortschritt, der durch das gemäß der Erfindung vorgesehene Abgleichsystem erreicht wird, ergibt sich aus dem Geräuschspektrum bzw. Geräuschnormal, das am Ausgang des Magnetometers festgestellt

werden kann. Hierdurch ist ein sehr zuverlässiger Parameter zur Auswertung der Abgleichwirkung des Gradiometers gegeben, wenn die übrigen Bedingungen gleich bleiben.

Fig. 8 zeigt zwei Darstellungen von Geräuschnormalen, welche an dem Ausgang des Magnetometers gemessen wurden, und zwar vor und nach dem Einsatz der erfindungsgemäß vorgesehenen Einrichtung.

' Die Verschiebung des Anfangspunkts des Geräusches 1/f von etwa 10 Hz nach 0,4 Hz ist bei biomagnetischen Messungen von besonderer Bedeutung. Die Arbeitsweise der erfindungsgemäß vorgesehenen Einrichtung ist nach Kenntnis der Erfinder z. Z. die besterreichbare in der Welt für solche Apparaturen, bei denen Zweitableitungs-Gradiometer Verwendung finden. Die Erfindung! ist daher von größtem Nutzen bei Meßeinrichtungen für klinische Zwecke. Gegenwärtig stehen kommerziell nur solche Apparaturen für biomagnetische Messungen zur Verfügung, bei denen Zweitableitungs-Gradiometer mit einem Abgleichssystem nur für das konstante Feld vorhanden sind. Durch die erfindungsgemäß gegebene Möglichkeit der Verbesserung der Arbeitsweise solcher Apparate wird die Erfindung daher voraussichtlich ein weites industrielles Anwendungsfeld erschließen.

Die gegenwärtig praktisch eingesetzte, erfindungsgemäß ausgebildete Einrichtung zur Messung von Quellen

magnetischer Signale biologischer Art und die beschriebene Einrichtung ermöglichen eine wesentliche Verbesserung der Arbeitsweise in dem bei Aufgaben dieser Art interessierenden Frequenzbereich. Andererseits kann eine solche erfindungsgemäß ausgebildete Einrichtung

auch zur Messung anderer Quellen magnetischer Signale über kurze Distanzen mit Vorteil eingesetzt werden.

Da Zweitableitungs-Gradiometer bisher auf einem einzelnen gemeinsamen Halterungselement ausgebildet wurden, besteht der wesentliche Gedanke der Erfindung darin, daß eine der Spulen gegenüber den anderen Spulen, beispielsweise gegenüber der zentralen Spule, bewegbar ausgebildet ist. Verbesserungen und weitere Ausbildungen der Erfindung sind·im Rahmen fachmännischen Handels möglich.

df-dz

Claims

3228H5 Maxton · Maxton · Langmaack Patentanwälte Patentanwälte Maxton & Langmaack - Plerdmengesstr. 50 · SOOO KOIn 51 , Robert Brede 11*351943. _ _ . Alfred Maxton sr. 1194:5i Anmelder: Consxglio Nazionale Alfred Maxton Delle Ricerche Jürgen Langmaack Piazzale Aldo Moro Nr. 7 Diplom-Ingenieure rruj I-OO185 Rom zugelassen beim Europäischen Patentamt Italien ' 5000 Köln si Unsere Zeichen " Datum 122 pg 821 27.07.82 Bezeichnung; Feinabgleicheinrichtung für Dreispulengradiometer Ansprüche:

1. FeinabgleiGheinrichtung für Zweitableitungs-Dreispulengradiometer, dadurch gekennze i'c__h net, daß die Halterung für die Spulen in zwei Elemente aufgeteilt ist, die eine einstell- bzw. steuerbare mikrometrische Relativbewegung ausführen können.

2. Feinabgleicheinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Halterungselemente coaxial angeordnet sind und das erste Element die zentrale Spule und eine der Endspulen trägt, während das zweite Element die andere Spule trägt, derart, daß eine mikrometrische Änderung des Abstandes der Ebenen einer der Endspulen gegenüber der zentralen Spule zum Zweck des gewünschten Abgleichs erfolgen kann.

Telefon: (0221) 380238 · Telegramm: Inventator Köln · Telnx 8883555 max d f 12 Postscheckkonto Köln (BLZ 37010050) Kto.-Nr. 152251-500 ■ Deutsche Bank AG Kftln (BLZ 37070060) Kto. Nr. 1236181

3. Feinabgleicheinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur Ausführung der mikrometrisehen Bewegung eine Stange mit zwei Schraubgewindeteilen verschiedener Steigung aufweist, welche mit einem hin und her beweglichen, mit dem tragenden Element integrierten Element derart verbunden ist, daß es die Drehbewegung der oberen Stange in eine mikrometrische vertikale Gleitbewegung umwandelt, und zwar abhängig von der Steigungsdifferenz der beiden Schraubgewinde.

4. Feinabgleicheinrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die mit verschiedenen Schraubgewinden versehene Stange mit der Halterung der oberen Spule derart zusammenwirkt, daß der Abstand ihrer Ebene gegenüber der zentralen Spule änderbar ist.