DE4028301A1 - Vielkanalsystem mit squids zum messen der raeumlichen verteilung von magnetischen fluessen - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Vielkanalsystem mit im folgenden als Sensoren bezeichneten, supra­ leitenden Quanten-Interferenz-Detektoren (SQUIDs) zum Messen der räumlichen Verteilung von magneti­ schen Flüssen, bei dem die Sensoren mit einer Aus­ werte-Elektronik mit Flußregelschleife und Kompen­ sationsspulen verbunden sind.

Vielkanalsysteme dieser Art werden insbesondere für biomagnetische Messungen eingesetzt, wobei eine zwei­ dimensionale Anordnung vieler Sensoren (derzeit bis 40 SQUIDs) eine Messung der räumlichen Feldvertei­ lung biomagnetischer Signale über eine Fläche von mehreren hundert Quadratzentimeter zuläßt. Bislang geschieht das Auslesen einer solchen Vielzahl von Sensoren dadurch, daß jedes individuelle SQUID von einer separaten Elektronik ausgewertet wird, mit der es über eine Reihe von Meßleitungen (abhängig von der Art des Sensors, bis zu vier bei einem dc-SQUID, zwei bei rf-SQUIDs) verbunden ist.

Von Nachteil ist bei Vielkanalsystemen dieser be­ kannten Art alleine schon der apparative Aufwand.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein weniger auf­ wendiges Vielkanalsystem der eingangs bezeichneten Art zu schaffen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß Sensoren (HFS1 bis HFS3) vom Typ Hochfrequenz- SQUID eingesetzt werden, die Auswerte-Elektronik (AWE) für eine serielle Abfrage der Sensoren ausge­ legt ist, die Integratoren (I1 bis I3) der Flußre­ gelschleife zur Speicherung der Kompensationsflüs­ se vorgesehen sind und Hochfrequenzgeneratoren (HFG1 bis HFG3) vorgesehen sind, die ein Betreiben der Sensoren zur Informationstrennung im dissipativen Mode auf unterschiedlichen Frequenzen ermöglichen.

Bei der erfindungsgemäßen Anordnung arbeitet während einer vorgegebenen Zeitspanne t lediglich ein be­ stimmtes SQUID, welches für eine nachfolgende Zeit­ spanne (n-1)·t ausgeschaltet wird. Während dieser Zeit werden nacheinander alle anderen Sensoren aus­ gewertet. Das Ein- und Ausschalten der Sensoren ge­ schieht über das Ein- und Ausschalten der zum Betrei­ ben der Sensoren nötigen Hochfrequenzgeneratoren bzw. durch Ändern des Pegels des in die Sensor ein­ gekoppelten Hochfrequenzstromes. Auf diese Weise können alle Sensoren quasi-simultan ausgewertet wer­ den, unter der Voraussetzung, daß die Frequenz des zu messenden Signales klein ist gegenüber der Fre­ quenz des Umschaltens zwischen den einzelnen Senso­ ren. Zum Betreiben der Sensoren in der Flußregel­ schleife werden die Kompensationsspulen der Senso­ ren seriell oder parallel miteinander verbunden, und über eine Hochfrequenzdrossel mit der aus dem Kühlbad führenden Meßleitung verbunden.

Da üblicherweise jeder Sensor von einem anderen mag­ netischen Fluß durchdrungen wird, muß der zu einem jeden Sensor gehörende Kompensationsfluß bis zum nächsten Auswertezeitpunkt gespeichert werden. Das geschieht durch den in der Flußregelschleife ohne­ hin benötigten Integrator.

Als Folge der seriellen Abfrage der Sensoren kann das erfindungsgemäße Vielkanalsystem gegenüber kon­ ventionellen Systemen dadurch weitervereinfacht wer­ den, daß die Auswerte-Elektronik nur einen Hochfre­ quenzverstärker, einen Amplitudendemodulator und einen Phasendetektor aufweist.

Bei einer besonders vorteilhaften Ausführungsart des Vielkanalsystems gemäß der Erfindung sind die Sensoren mit der Auswerte-Elektronik nur über eine einzige zweipolige Meßleitung verbunden, während bei den bekannten Vielkanalsystemen jeder Sensor mit der separaten Elektronik über jeweils eine Meß­ leitung verbunden ist. Diese weitere Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Vielkanalsystems vermeidet die erheblichen Nachteile der Vielzahl von Meßlei­ tungen bei den bekannten Vielkanalsystemen:

Da die SQUIDs während des Betriebs gekühlt werden müssen (Niob-SQUIDs mit flüssigem Helium auf 4,2 K; Hochtemperatur-SQUIDs mit flüssigem Stickstoff auf 77 K), die Auswerte-Elektronik sich jedoch auf Zim­ mertemperatur befindet, transportieren Meßleitungen Wärme in das Kühlbad, was zu einem raschen Abdamp­ fen des flüssigen Kühlmediums (insbesondere beim flüssigen Helium) führt und damit die Meßzeit zwi­ schen dem Nachfüllen des Kühlmediums verkürzt. Wei­ terhin können durch ständiges Aufwärmen und Abkühlen bedingte mechanische Spannungen in den Meßleitungen diese zerstören. Um eine gegenseitige Beeinflussung der Sensoren zu vermeiden, müssen außerdem die Meß­ leitungen untereinander gut abgeschirmt sein.

Aus Furukawa, Shirae, Jap. Journ. of Appl. Phys. Vol. 28, p. L 456, 1989 ist zwar bekannt, ein Viel­ kanalsystem der eingangs bezeichneten Art zu ver­ einfachen, jedoch benötigt dieses bekannte Vielka­ nalsystem immer noch mindestens zwei Leitungen pro Sensor und zeichnet sich darüber hinaus durch eine Komplizierung der Auswerte-Elektronik aus.

Ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Viel­ kanalsystems (hier mit drei Kanälen) ist in der Zeich­ nung wiedergegeben und wird im folgenden näher er­ läutert: Es zeigen

Fig. 1 Ein Blockschaltbild eines Dreikanal­ systems mit serieller Schaltung der Komponsationsspulen KS.

Fig. 2 Die zeitliche Abfolge des Auswertens der Sensoren.

Wie aus Fig. 1 zu ersehen ist, sind drei Sensoren des Typs Hochfrequenz-SQUID HFS1 bis HFS3 magnetisch mit drei Parallelschwingkreisen PS1 bis PS3 gekop­ pelt, welche zur Anpassung an die 50Ω Wellenleiter WL kapazitiv angezapft sind. Diese drei Sensoren werden betrieben mittels drei Hochfrequenzgenerato­ ren HFG1 bis HFG3, welche über die Richtkoppler RK1 bis RK3 mit dem Wellenleiter WL verbunden sind. Die Kompensationsspulen KS1 bis KS3 der Sensoren sind in Serie geschaltet und über die Hochfrequenzdrossel HFDr mit dem Wellenleiter WL verbunden.

Zum Betrieb der Sensoren in einer Flußregelschleife wird den Kompensationsspulen ein niederfrequenter Wechselstrom eingeprägt, der durch einen Niederfre­ quenzgenerator NFG erzeugt wird. Dieser niederfre­ quente Wechselstrom, auch Modulationsstrom genannt, dient auch als Referenzsignal für den Phasendetek­ tor der konventionellen Auswerte-Elektronik AWE und als Referenzsignal für den Zeitgeber ZG.

Die über den Parallelschwingkreisen PS1 bis PS3 ab­ fallenden Hochfrequenzspannungen, welche die Infor­ mation über den durch den Sensor gemessenen magne­ tischen Fluß enthalten, werden in der Auswerte-Elek­ tronik AWE verstärkt, amplituden-demoduliert und das resultierende Signal in seiner Phase mit der Referenzspannung verglichen, die vom 150 kHz Wech­ selstromgenerator NFG erzeugt wird. Der elektroni­ sche Zeitgeber ZG sorgt für das Ein- bzw. Ausschal­ ten der Hochfrequenzgeneratoren und das Anlegen der Ein- bzw. Ausgänge der Integratoren an den Aus­ gang der Auswerte-Elektronik AWE bzw. an den Rück­ koppelwiderstand R_R durch die Schalter S_IE (n) und S_IA (n) (n ist die laufende Nummer der Kanäle, hier 1 bis 3). Die jeweiligen Ausgangsspannungen, welche letztendlich die vom jeweiligen Sensor detektierte Änderung des magnetischen Flusses enthalten, werden am Ausgang eines jeden Integrators I (n) über Puffer­ verstärker PV1 bis PV3 entnommen.

Beim Betrieb des Vielkanalsystems sollte, um Fehler beim Auswerten der einzelnen Sensoren zu vermeiden, eine bestimmte Zeitabfolge eingehalten werden:

Nach Abschalten des (n-1)sten Sensors wird die Aus­ gangsspannung des Integrators des nten Kanales U_a(n) über den Widerstand R_R′ den sogenannten Rückkoppel­ widerstand, an die zu den Sensoren führende Meßlei­ tung WL angeschlossen. Dieses Anschließen wird über den elektronisch gesteuerten Analogschalter S_IA (n), z. B. einen Feldeffekttransistor, bewerkstelligt. Am anderen Ende der Meßleitung wird diese Spannung, welche nur niederfrequente Anteile enthält, über eine Hochfrequenzdrossel HFDr von der hochfrequenten Spannung, welche zum Auswerten des Sensors verwendet wird, getrennt.

Nach einer Zeit t_ein, die eingehalten werden muß, um Meßfehler zu vermeiden, die durch Einschwingvor­ gänge in der Kompensationsspule hervorgerufen wer­ den können, wird über den Schalter S_IE (n) der Aus­ gang einer konventionellen Auswerte-Elektronik mit dem Eingang des Integrators I (n) verbunden. Für eine Zeit t_nor wird dann der Sensor in der üblichen bekannten Weise betrieben. Danach wird der Eingang des Integrators I (n) vom Ausgang der Auswerte-Elek­ tronik abgetrennt, und nach einer Zeit t_aus der Aus­ gang des Integrators I (n) vom Rückkoppelwider­ stand R_R. t_aus soll in Analogie zu t_ein dazu dienen, Meßfehler durch Ausschwingvorgänge in der Kompensa­ tionsspule zu vermeiden.

Anschließend wird der Sensor SQUID (n) durch Aus­ schalten des Hochfrequenzgenerators HFG (n) außer Betrieb gesetzt. Danach werden in Analogie zum Ka­ nal n alle anderen Kanäle nacheinander ausgewertet, so daß nach einer Zeit (t_ein+t_nor+t_aus)·n wiederum der Kanal n ausgewertet wird. Zur Vermeidung o.g. Meßfehler müssen t_ein bzw. t_aus wesentlich größer sein als das Verhälnis L/R der Kompensationsspulen, wobei L die Gesamtinduktivität und R der Gesamtwi­ derstand der Reihen- bzw. Parallelschaltung der Kom­ pensationsspulen ist. Die Zeit t_nor sollte, um ein brauchbares Signal nach dem Phasendetektor zu erhal­ ten, mehrere Perioden des niederfrequenten Modula­ tionsstromes (hier auch Referenzsignal genannt) be­ tragen.

Dadurch, daß das Meßsignal eines jeden Kanals n im zugehörigen Integrator I (n) gespeichert wird, kann es jederzeit entnommen werden. Es muß also keines­ wegs gewartet werden, bis gerade dieser Sensor aus­ gewertet wird. Günstigerweise wird das Meßsignal dem Integrator über einen Pufferverstärker PV (n) entnommen, um Beeinflussungen des Integrators durch externe Meßgeräte zu verhindern.

Die Zeiten t_ein, t_aus und t_nor (siehe hierzu Fig. 2) werden vom Modulationsstrom bzw. Referenzsignal für den Zeitgeber ZG abgeleitet. Im Ausführungsbei­ spiel beträgt die Frequenz dieses Referenzsignales 150 kHz, die Dauer der Zeiten t_ein und t_aus 6.67 µs, ensprechend einer halben Periode der Referenz und die Zeit t_nor 60 µs, entsprechend neun Perioden des Referenzsignales. Die Beschriftung "ein" in Fig. 2 bedeutet dabei, daß der jeweilige Schalter S_IE (n) bzw. S_IA (n) eingeschaltet ist, bzw. der jeweilige Hochfrequenzgenerator und damit der jeweilige Sensor betrieben wird.

Claims (3)

1. Vielkanalsystem mit im folgenden als Sensoren be­ zeichneten, supraleitenden Quanten-Interferenz-De­ tektoren (SQUIDs) zum Messen der räumlichen Vertei­ lung von magnetischen Flüssen, bei dem die Sensoren mit einer Auswerte-Elektronik mit Flußregelschleife und Kompensationsspulen verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, daß Sensoren (HFS1 bis HFS3) vom Typ Hochfrequenz- SQUID eingesetzt werden, die Auswerte-Elektonik (AWE) für eine serielle Abfrage der Sensoren ausge­ legt ist, die Integratoren (I1 bis I3) der Flußre­ gelschleife zur Speicherung der Kompensationsflüsse vorgesehen sind und Hochfrequenzgeneratoren (HFG1 bis HFG3) vorgesehen sind, die ein Betreiben der Sensoren zur Informationstrennung im dissipativen Mode auf unterschiedlichen Frequenzen ermöglichen.

2. Vielkanalsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswerte-Elektronik (AWE) nur einen Hoch­ frequenzverstärker, einen Amplitudendemodulator und einen Phasendetektor aufweist.

3. Vielkanalsystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Sensoren (HFS1 bis HFS 3) mit der Auswerte- Elektronik (AWE) über nur eine einzige zweipolige Meßleitung (WL) verbunden sind.