DE4125733C1

DE4125733C1 -

Info

Publication number: DE4125733C1
Application number: DE4125733A
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Dipl.-Phys. Dr. Taegerwilen Ch Ludwig; Wolfgang Dipl.-Phys. Dr. 7758 Daisendorf De Eschner
Original assignee: Dornier GmbH
Current assignee: STL SYSTEMTECHNIK LUDWIG GMBH, 78467 KONSTANZ, DE
Priority date: 1990-02-17
Filing date: 1991-08-02
Publication date: 1993-02-11
Anticipated expiration: 2011-08-03

Description

Die Erfindung geht aus von einer Vorrichtung zum Bestimmen aller linear unabhängigen Kom ponenten des Gradiententensors N-ter Ordnung eines Magnetfelds.

Zur Charakterisierung einer lokalen Magnetfeldverteilung ist die Kenntnis der Magnetfeldkomponenten sowie der räumlichen Ableitungen höherer Ordnung notwendig. Dies wird z. B. in der Taylor-Reihenentwicklung des Magnetfeld vektors B (x) deutlich:

wobei ∇^NB|₀ der am Ursprung eines Koordinatensystems genommene Gra dientensensor N-ter Ordnung ist, der Ableitungen N-ter Ordnung der Magnet feldkomponenten B_y, B_y, B_z nach den räumlichen Koordinaten x, y, z enthält. Ein Gradiententensor N-ter Ordnung enthält 3+2N linear unabhängige Kom ponenten.

Ein Meßgerät, mit dem man die Ableitungen N-ter Ordnung des Magnetfelds messen kann, wird als Gradiometer N-ter Ordnung bezeichnet. Im Sinne die ser Definition ist z. B. ein Magnetometer, mit dem die Magnetfeldkomponenten B_x, B_y, B_z gemessen werden, ein Gradiometer 0-ter Ordnung.

Ein Gradiometer N-ter Ordnung umfaßt mindestens N+1 Feldaufnehmerspu len, wobei zur Messung bestimmter Komponenten auch mehr als N+1 solcher Spulen notwendig sind.

Je genauer man die lokale Feldverteilung an einem Ort kennt, desto genauer läßt sich die räumliche Feldverteilung an einem anderen Ort rekonstruieren bzw. extrapolieren. Dies ist insbesondere für die Kompensation von Gradio meteranordnungen von Bedeutungen, wie sie in der biomagnetischen Meß technik oder bei der Detektion magnetischer Anomalien eingesetzt werden. Mit Hilfe herkömmlicher, drahtgewickelter dreidimensionaler Spulenanord nungen ist es nur mit hohem Platzbedarf und mit sehr großem mechanischen Aufwand möglich, alle Komponenten eines Gradientensensors N-ter Ordnung, insbesondere für N<1 zu erfassen. Außerdem weisen gewickelte Spulen prinzipiell relativ große Fehler auf. In Wynn, W. M. et. al.: Advanced Supercon ducting Gradiometer/Magnetometer Arrays and a Novel Signal Processing Technique; in IEEE Transactions on Magnetics, Vol. Mag. - 11, No. 2, 1975, Seiten 701-707 ist ein derartiger Gradiometer beschrieben. Der Abgleich wird mit Hilfe von supraleitenden Hilfselementen durchgeführt.

In Dünnschichttechnologie lassen sich planare Spulen leicht herstellen. Je doch reichen solche zweidimensionalen Spulenanordnungen, wie sie z. B. bei SQUIDs eingesetzt werden, nicht aus, um alle linear unabhängigen Gradien tenkomponenten zu messen. Solche reichen z. B. im Falle eines Gradienten tensors 1. Ordnung nur zur Messung der Nichtdiagonalelemente. So können durch zwei in der x-y-Ebene liegende Spulen die Gradienten dB_z/dx und dB_z/dy ermittelt werden. Für den Gradienten dB_z/dz müßten die Spulen in zwei Ebenen übereinanderliegen, was durch planare Elemente nur schwer erreichbar ist. In Dünnschichttechnik ist es schwierig, dreidimensionale Struk turen herzustellen, z. B. Beschichtungen über Kanten zu ziehen.

Eine Vorrichtung, bei der zur Messung der Diagonalelemente zwei in ver schiedenen Ebenen übereinanderliegende Spulen und zur Messung der Nichtdiagonalelemente zwei in derselben Ebene liegende Spulen verwendet werden, ist in der US 46 46 025 beschrieben.

Die beschriebenen Probleme ergeben sich auch bei der Bestimmung der Gra diententensoren mit N<1.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung zum Bestimmen aller linear un abhängigen Komponenten eines Gradiententensors N-ter Ordnung eines Magnetfelds zu schaffen, bei der die genannten Nachteile vermieden werden.

In der deutschen Patentanmeldung P 40 05 079.3-35 wurde diese Aufgabe für die Messung der Komponenten des Gradiententensors 1-ter Ordnung (N=1) gelöst.

Die Aufgabe wird für N<1 von einer Vorrichtung mit den im Anspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst. Eine Lösung der Aufgabe für N=1 erfolgt durch eine Vorrichtung mit den im Anspruch 10 angegebenen Merkmalen. Besondere Ausführungsarten der Erfindung sind Gegen stand der Unteransprüche.

Durch die erfindungsgemäße Anordnung mehrerer planarer Gradiometer N- ter Ordnung kann der vollständige Gradiententensor N-ter Ordnung einfach und genau berechnet werden. Als Minimum sind mindestens 3N+2 planare Gradiometer N-ter Ordnung auf mindestens 3 nicht parallelen und nicht ortho gonalen Flächen notwendig. Unter einem planaren Gradiometer wird hierbei ein Gradiometer verstanden, dessen Feldaufnehmerspulen sämtlich in einer Ebene liegen.

Auf einer Fläche lassen sich maximal N+1 koplanare, linear unabhängige Gradiometer (als linear unabhängige Gradiometer werden solche Gradiome ter bezeichnet, die linear unabhängige Komponenten messen, im folgenden auch als orthogonale Gradiometer bezeichnet) anbringen. Gradiometer liegen koplanar zueinander, wenn sämtliche Feldaufnehmerspulen aller Gradiome ter in einer gemeinsamen Ebene liegen.

Bevorzugt sind auf mindestens zwei der Flächen jeweils N+1 koplanare Gra diometer N-ter Ordnung angeordnet, die jeweils linear unabhängige Kompo nenten messen.

Vorteilhafterweise können sich auf jeder Fläche zusätzlich zu den vorhande nen Gradiometern N-ter Ordnung weitere koplanare Gradiometer mit geringe rer als N-ter Ordnung befinden. In einer besonders vorteilhaften Anordnung befinden sich auf derselben Fläche insgesamt folgende Gradiometer:

N+1 Gradiometer N-ter Ordnung
N Gradiometer (N-1)-ter Ordnung
N-1 Gradiometer (N-2)-ter Ordnung
.
.
1 Gradiometer 0-ter Ordnung,

also insgesamt ((N+1)_*(N+2))/2 Gradiometer, wobei die Gradiometer dersel ben Ordnung orthogonale Komponenten messen.

Damit die Wechselwirkung der Gradiometer-Feldaufnehmerspulen minimal ist, kann vorteilhaft jede der Spulen nur eine Windung umfassen.

Eine weitere Verminderung der Wechselwirkung erreicht man, indem man die Feldaufnehmerspulen eines einzelnen Gradiometers in Form einer Matrix an ordnet. Die Feldaufnehmerspulen eines Gradiometers N-ter Ordnung sind hierbei in m+1 Zeilen und n+1 Spalten anzuordnen, mit der zusätzlichen Bedingung, daß m+n=N ergibt. Die Zeilen und Spalten weisen jeweils in ei ne Differentiationsrichtung, also z. B. in die x-, y- oder z-Achse. Die Spulenflä che der Feldaufnehmerspule in Zeile i und Spalte j wird durch folgende Bezie hung festgelegt:

mit i=0, . . ., m und j=0, . . . n.

Dabei gibt das Vorzeichen positiven oder negativen Windungssinn an, A₀ be zeichnet die Gesamtfläche des Gradiometers, die z. B. in der Form eines Qua drats ausgebildet sein kann. Das Formelzeichen "_*" ist der Multiplika tionsoperator.

Wenn diese Beziehungen bei jedem Gradiometer eingehalten werden, sind die gegenseitigen Wechselwirkungen genau dann minimal, wenn alle Gradiome ter, die sich auf derselben Fläche befinden, zentriert und bündig übereinander geschichtet sind.

Die Erfindung hat folgende Vorteile:

Da alle sich auf derselben Fläche befindlichen Gradiometer auf einem Chip integrierbar sind, ist ein optimaler numerischer Abgleich zur Störunter drückung möglich.

Gewickelte Spulen mit ihren naturgemäß großen Fehlern werden vermieden. Komplizierte Beschichtungsverfahren, bei denen supraleitende Verbindungen über Kanten gezogen werden müssen, sind nicht notwendig.

Die erfindungsgemäße Anordnung eignet sich insbesondere für folgende An wendungen:

- Detektion von Munitionsresten, Minen usw. mit der Möglichkeit der Former kennung
- Diagnosegeräte zur Messung von Magnetokardiogrammen und Magne toenzephalogrammen mit oder ohne Verwendung von Abschirmkammern
- Bestimmung von Ort und Orientierung eines magnetischen Probekörpers im Körperinnern z. B. in der Chirurgie/Endoskopie
- Geoprospektion mit luftgestützten und stationären Systemen
- zerstörungsfreie Werkstoffprüfung (Niederfrequenz-Wirbelstrom-Verfahren für dickwandige Bauteile zur Rißinnenprüfung von außen).

Die Erfindung wird anhand von Fig. 1 und 2 näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 erfindungsgemäße planare Gradiometer 0-ter bis 4-ter Ordnung

Fig. 2 eine erfindungsgemäße Anordnung planarer Gradiometer in Schräg sicht.

Fig. 1 zeigt Beispiele für die verwendeten planaren Gradiometer 0-ter bis 4- ter Ordnung. In jeder Reihe sind jeweils N+1 orthogonale Gradiometer N-ter Ordnung angegeben. Welche Komponenten des Gradiententensors mit den einzelnen Gradiometern gemessen werden können, ist jeweils angegeben. Dabei ist vorausgesetzt, daß die abgebildeten Gradiometer sich auf der x/y- Ebene eines Koordinatensystems befinden. Die Bezeichnung B_{z, x, y} z. B. be deutet die Ableitung der z-Komponente des Magnetfelds nach den räumlichen Koordinaten x und y.

Die schwarzen und weißen Flächen stellen die Spulenflächen der einzelnen Feldaufnehmerspulen eines Gradiometers dar. Entsprechend sind sich die Spulenwindungen als Umrandungen der schwarzen bzw. weißen Flächen zu denken. Eine schwarze Fläche bezeichnet einen positiven, eine weiße Fläche einen negativen Windungssinn. Die einzelnen Feldaufnehmerspulen müssen nicht notwendigerweise quadratisch oder rechteckig sein. Auch sind Zwischen räume zwischen den Spulen möglich.

Bei allen dargestellten Gradiometern ist die oben angegebene Beziehung für die Flächen der Feldaufnehmerspulen verwirklicht. Die Werte für m und n aus der oben angegebenen Formel z. B. für die abgebildeten Gradiometer 4-ter Ordnung von links nach rechts sind: (m,n)=(4,0), (0,4), (2,2), (3,1), (1,3).

Die Maßzahlen jeweils am rechten Rand bezeichnen die auf 1 normierte Brei te der betreffenden Flächen.

Fig. 2 zeigt eine erfindungsgemäße Anordnung von planaren Gradiometern G1-G9 auf drei Flächen eines Tetraeders für den Fall der Messung der Kom ponenten des Gradiententensors 2-ter Ordnung. Auf jeder der drei Tetraeder flächen sind jeweils drei orthogonale planare Gradiometer G1-G3, G4-G6, G7-G9 in Schichten übereinander angeordnet, z. B. die in Spalte 3 von Fig. 1 gezeigten. Die Gradiometer haben alle dieselbe Grundfläche und sind zen triert und bündig übereinander geschichtet. Die untenliegenden Gradiometer sind symbolisch durch hervorstehende Ränder angedeutet.

Die Herstellung solcher übereinanderliegender Gradiometer erfolgt mit Me thoden der Dünnschichttechnologie. Zwischen den Gradiometern sind jeweils dünne Isolierschichten eingebracht.

Claims

1. Vorrichtung zum Bestimmen aller linear unabhängigen Komponenten des Gradiententensors N-ter Ordnung eines Magnetfelds, mit N<1, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens 3N+2 planare Gradiometer N-ter Ord nung auf mindestens 3 nicht parallelen und nicht orthogonalen Flächen angeordnet sind.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Gradi ometer auf Flächen eines Polyeders mit mindestens drei nicht parallelen und nicht orthogonalen Flächen angeordnet sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Poly eder eine Pyramide mit vier, fünf, sechs, sieben oder mehr Mantelflächen oder ein Oktaeder oder ein Dodekaeder oder ein Ikosaeder ist.

4. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch ge kennzeichnet, daß auf jeder Fläche N+1 Gradiometer N-ter Ordnung angeordnet sind, die linear unabhängige Komponenten messen.

5. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch ge kennzeichnet, daß sich auf jeder Fläche zusätzliche Gradiometer mit ge ringerer als N-ter Ordnung befinden.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß sich auf einer Fläche folgende Gradiometer befinden: N+1 Gradiometer N-ter Ordnung
N Gradiometer (N-1)-ter Ordnung
N-1 Gradiometer (N-2)-ter Ordnung
.
.
1 Gradiometer 0-ter Ordnung,wobei die Gradiometer derselben Ordnung jeweils orthogonale Kompo nenten messen.

7. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch ge kennzeichnet, daß die sich auf derselben Fläche befindlichen Gradiome ter zentriert und bündig übereinander geschichtet sind.

8. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch ge kennzeichnet, daß jede Feldaufnehmerspule eines Gradiometers nur ei ne Windung umfaßt.

9. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch ge kennzeichnet, daß die Feldaufnehmerspulen eines Gradiometers N-ter Ordnung in m+1 Zeilen und n+1 Spalten mit m+n=N matrixartig angeord net sind und für die Spulenfläche A_ÿ der Feldaufnehmerspule in Zeile i und Spalte j gilt: mit i=0,1, . . ., m und j=0,1, . . ., n.

10. Vorrichtung zum Bestimmen aller linear unabhängigen Komponenten des Gradiententensors erster Ordnung eines Magnetfelds, dadurch gekenn zeichnet, daß mindestens 5 planare Gradiometer erster Ordnung auf min destens 3 nicht parallelen und nicht orthogonalen Flächen angeordnet sind und die Feldaufnehmerspulen eines Gradiometers in m+1 Zeilen und n+1 Spalten mit m+n=1 matrixartig angeordnet sind und für die Spulen fläche A_ÿ der Feldaufnehmerspule in Zeile i und Spalte j gilt: mit i=0, . . ., m und j=0, . . ., n.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die sich auf derselben Fläche befindlichen Gradiometer zentriert und bündig über einander geschichtet sind.

12. Vorrichtung nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß jede Feldaufnehmerspule eines Gradiometers nur eine Windung umfaßt.