DE69032266T2

DE69032266T2 - Mehrkanalige Squidmagnetometer

Info

Publication number: DE69032266T2
Application number: DE69032266T
Authority: DE
Inventors: Norio Fujimaki
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 1989-12-26
Filing date: 1990-12-24
Publication date: 1998-08-13
Anticipated expiration: 2010-12-25
Also published as: JP2761067B2; EP0435652B1; EP0435652A2; DE69032266D1; JPH03197885A; US5155434A; EP0435652A3

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf supraleitende Quanteninterferenz-Magnetometer, die digitale supraleitende Quanteninterferenzvorrichtungen für die Messung schwacher Magnetfelder verwenden, und insbesondere auf ein mit einer Vielzahl von Meßkanälen ausgestattetes supraleitendes Quanteninterferenz-Magnetometer.
Supraleitende Quanteninterferenz-Magnetometer, die die im folgenden als SQUIDs abgekürzten supraleitenden Interferenzvorrichtungen nutzen, werden als die wesentliche Vorrichtung zum Messen der extrem schwachen Magnetfelder verwendet, die durch biolögische Körper und Organe, wie z.B. Hirn oder Herz, erzeugt werden. Insbesondere besteht ein starkär Bedarf an einem mit einer Vielzahl von Meßkanälen ausgestatteten Magnetometer zum Messen der Verteilung eines Magnetfeldes in kurzer Zeit.
In solchen Mehrkanal-SQUID-Magnetometern ist eine Anzahl digitaler SQUID-Sensoren parallel zueinander angeordnet, worin jeder SQUID-Sensor eine Folge von Ausgangsspannungspulsen als Antwort auf den unbekannten Magnetfluß erzeugt, der mit einer supraleitenden Detektionsschleife des SQUID-Sensors verkettet. In Kombination mit jedem SQUID-Sensor ist eine entsprechende Rückkopplungsschaltung vorgesehen, die einen entgegenwirkenden Rückkopplungs-Magnetfluß in der Detektionsschleife erzeugt, so daß dem unbekannten Magnetfluß durch den Rückkopplungs-Magnetfluß entgegengewirkt wird. Der Betrag dieses Rückkopplungs-Magnetflusses wird als Antwort auf jeden Ausgangsspannungspuls des SQUID-Sensors schrittweise erhöht, bis der unbekannte Magnetfluß vollkommen ausgelöscht ist. Bei Auslöschung des Magnetflusses verschwindet der in der supraleitenden Detektionsschleife induzierte Induktionsstrom, und der SQUID-Sensor stoppt ein Erzeugen der Ausgangsspannungspulse. Die Messung des Magnetflusses wird durch Zählen der Anzahl von so durch den SQUID-Sensor erzeugten Ausgangsspannungspulsen erreicht. Andererseits wird die Richtung des Magnetflusses durch Detektieren der Polarität des Spannungspulses bestimmt. Ein solches den digitalen SQUID-Sensor nutzendes SQUID-Magnetometer liefert verschiedene vorzuziehende Merkmale, wie z.B. ein erhöhtes S/N-Verhältnis, ein einfaches Verarbeiten der Ausgabedaten durch digitale Verarbeitungssysteme und dergleichen. Der Erfinder der vorliegenden Erfindung hat früher in dem US-Patent 4 947 118 solch ein digitales SQUID-Magnetometer vorgeschlagen, worin der SQUID-Sensor und die Rückkopplungsschaltung in einen Einzelchip zusammengesetzt sind. Solch ein sogenanntes Einzelchip-SQUID-Magnetometer enthält sowohl den SQUID-Sensor als auch die Rückkopplungsschaltung in dem flüssigen Heliumbad und eliminiert somit den Rückkopplungsleiter, der sich zwischen dem SQUID- Sensor in dem flüssigen Heliumbad und der Rückkopplungsschaltung erstreckt, die herkömmlicherweise in der Umgebung bei Raumtemperatur vorgesehen ist. Dadurch wird das Problem eines Eindringens von Wärme von der Umgebung bei Raumtemperatur in das flüssige Heliumbad durch den Rückkopplungsleiter eliminiert, und der Verbrauch oder die Verdampfung des flüssigen Heliums, das verwendet wird, um die SQUID-Vorrichtung bei dem supraleitenden Zustand zu halten, ist merklich reduziert.
Beim Konstruieren eines solch einen digitalen SQUID- Sensor verwendenden Mehrkanal-Magnetometers gibt es einen offensichtlichen Ansatz, der in FIG. 1 dargestellt ist, worin eine Anzahl Einzelchip-SQUID-Magnetometerelemente, die jeweils einen SQUID-Sensor aufweisen, wie z.B. den Sensor 1a -1n, eine entsprechende Rückkopplungsschaltung, wie z.B. die Schaltung 2a - 2n, und einen Rückkopplungsweg, wie den Weg 3a - 3n, parallel zueinander vorgesehen und mit einer Verarbeitungs- und Anzeigeeinheit 5 für ein digitales Verarbeiten der Ausgabepulse und eine Anzeige des Ergebnisses einer Messung verbunden ist. Somit empfängt die Verarbeitungs- und Anzeigeeinheit 5 die Ausgangsspannungspulse der SQUID-Magnetometer durch parallele Ausgabeleiter 4a - 4n, wenn es n derartige Magnetometerkanäle gibt.
Bei der Konstruktion von FIG. 1 sollte besonders erwähnt werden, daß die parallelen Leiter 4a - 4n von der bei der Raumtemperatur betriebenen Verarbeitungseinheit 5 zu den bei der Temperatur des flüssigen Heliums betriebenen SQUID- Magnetometern verlaufen. Mit anderen Worten erstrecken sich die Leiter 4a - 4n über eine Wand eines Behälters für flüssiges Helium, in welchem die SQUID-Magnetometer enthalten sind. Dadurch entsteht ein Problem von durch diese Leiter in das flüssige Helium eindringender Wärme. Es sollte besonders erwähnt werden, daß die Zahl von Leitern 4a - 4n der Zahl der Kanäle entspricht. Mit zunehmender Zahl von Kanälen wird dieser Effekt eines Eindringens von Wärme und das damit verbundene Problem eines übermäßigen Verbrauchs von flüssigem Helium ein ernsthaftes Problem bei der tatsächlichen Verwendung des SQUID-Magnetometers.
Andererseits gibt es eine andere bekannte Konstruktion eines Mehrkanal-SQUID-Magnetometers, wie in FIG. 2 dargestellt ist; worin die Ausgaben der SQUID-Sensoren 1a - 1n zu einem in dem System bei Raumtemperatur vorgesehenen Multiplexer 11 für ein Zeitteilung-Multiplexen (engl. time-divisional multiplexing) gesendet werden. Die Ausgabe des Multiplexers 11 wird an eine Rückkopplungsschaltung 12 geliefert, die ebenfalls in dem System bei Raumtemperatur betrieben wird, und das durch die Rückkopplungsschaltung 12 erzeugte Rückkopplungssignal wird einmal in einem Speicher 13 für jeden Kanal unter einer Steuerung einer Steuereinheit 15 gespeichert. Ferner wird das Rückkopplungssignal von dem Speicher 13 über Rückkopplungsleiter 14a - 14n zu den SQUID-Sensoren 1a - 1n rückgekoppelt Der Speicher 13 liefert ferner das die detektierte Polarität und Größe des Magnetflusses repräsentierende Rückkopplungssignal an eine Verarbeitungseinheit 17 zum Verarbeiten und Anzeigen des Meßergebnisses.
In diesem Gerät ist das Problem eines Eindringens der Wärme auch nicht beseitigt. Da es n zusätzliche Leiterstreifen gibt, die die SQUID-Sensoren und den Multiplexer 11 verbinden, ist insbesondere das Problem einer Verdampfung von flüssigem Helium eher verschlechtert als verbessert. Selbst wenn man den Multiplexer 11 ein Josephson-Element verwendend entwarf und es somit gelang, den Multiplexer 11 in dem flüssigen Heliumbad zusammen mit den SQUID-Sensoren 1a - 1n vorzusehen, bleibt das Problem eines Eindringens von Wärme durch die Rückkopplungsleiter 14a - 14n ungelöst.
Eine typische Anordnung, die mehrere externe Zuleitungen zeigt, ist z.B. in J. Phys. E, Bd. 17, Nr. 6, Juni 1984, Seiten 504 - 512 (Lekkala et al.) dargestellt. Der Oberbegriff des Anspruchs 1 beruht auf dieser Offenbarung, die auch die entsprechenden Merkmale des Anspruchs 12 zeigt.
Es ist eine allgemeine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein neuartiges und nützliches Mehrkanal-SQUID-Magnetometer zu schaffen, worin die oben erwähnten Probleme eliminiert sind.
Eine andere und speziellere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Mehrkanal-SQUID-Magnetometer zu schaffen, worin das Eindringen von Wärme in ein Kühlgefäß, das die SQUID-Magnetometer jedes Kanal in den supraleitenden Zuständen hält, minimiert ist und insbesondere worin die Zahl von Leiterstreifen reduziert ist, die in einemniedrigtemperaturgefäß befindliche SQUID-Sensoren mit externen Schaltungen außerhalb des Niedrigtemperaturgefäßes verbinden.
Gemäß einem Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung wird ein supraleitendes Mehrkanal-Quanteninterferenz-Magnetometer zum Messen eines unbekannten Magnetfeldes geschaffen mit: einem Kühlgefäß zum Fassen oder Halten eines Kühlrnediums; einer Vielzahl supraleitender Quanteninterferenz-Magnetometerelemente, eines für jeden Kanal, jedes Magnetometerelement enthaltend: einen SQUID-Sensor, der eine supraleitende Detektionsschleife enthält, die aus einer geschlossenen Schleife eines supraleitenden Körpers gebildet ist, zum Verketten mit dem unbekannten Magnetfeld; und eine supraleitende Quanteninterferenzvorrichtung, die mit der supraleitenden Detektionsschleife magnetisch gekoppelt ist, zum Erzeugen von Ausgangsspannungspulsen als Antwort auf das Verketten der supraleitenden Detektionsschleife mit dem unbekannten Magnetfeld, welche SQUID-Sensoren in dem Kühlgefäß untergebracht sind, um so durch das Kühlmedium gekühlt zu werden; ein Rückkopplungsmittel, das mit den Ausgangsspannungspulsen von dem SQUID versorgt wird, zum Erzeugen eines Magnetflusses, der dem unbekannten Magnetfluß in der Detektionsschleife infolge des unbekannten Magnetfeldes entgegenwirkt, als Antwort auf jeden Ausgangsspannungspuls; und ein Tormittel zwischen jedem SQUID und dem Rückkopplungsmittel zum Steuern des Lieferns der Ausgangsspannungspulse von dem SQUID an das Rückkopplungsmittel, welches Tormittel mit einem Steuersignal versorgt wird und die Ausgangsspannungspulse als Antwort auf einen logischen Pegel des Steuersignals selektiv durchläßt; welches Mehrkanal-Magnetometer ferner ein Auswahlmittel aufweist, an das Auswahlsignale angelegt werden, um einen gewünschten Kanal zu spezifizieren, und welches das Steuersignal selektiv an das Tormittel des supraleitenden Quanteninterferenz- Magnetometerelements des spezifizierten Kanals liefert; und ein Verbindungszuleitungsmittel, das mit dem SQUID jedes Kanals über das entsprechende Tormittel verbunden ist, zum Leiten des Ausgangsspannungspulses zu einer Verarbeitungsschaltung; und dadurch gekennzeichnet, daß das Rückkopplungsmittel, das Tormittel und das Auswahlmittel alle in dem Kühlgefäß untergebracht sind.
Die Verarbeitungsschaltung kann außerhalb des Kühlgefäßes vorgesehen sein, aber in einigen Ausführungsformen kann sie auch vorteilhafterweise eine Niedrigtemperaturvorrichtung sein.
In einem alternativen Gesichtspunkt der Erfindung wird anstelle des Detektionsschleifen-SQUID, der die Pulse direkt erzeugt, eine Gleichstromversion verwendet, von der der Strom einen zweiten Wechselstrom-SQUID ansteuert, der wiederum die Pulse als Antwort auf die Wechselstrom-Vorspannungspulse und als Antwort auf den Ausgangsstrom des ersten SQUID erzeugt.
Die vorliegende Erfindung faßt ein Auswahlmittel ins Auge, das die SQUID-Magnetometer aufeinanderfolgend auswählt, und der Ausgabepuls des digitalen SQUID-Sensors in dem ausgewählten SQUID-Magnetometer wird an die externe Verarbeitungsschaltung aufeinanderfolgend oder zeitsequentiell ausgegeben. Folglich ist nur eine Verbindungszuleitung in dem Verbindungszuleitungsmittel zum Ausgeben des Ausgangsspannungspulses an die äußere Umgebung des Kühlgefäßes notwendig, so daß ein Eindringen von Wärme in das Kühlgefäß durch die Verbindungszuleitung minimiert ist. Bei dem in dem vorliegenden Mehrkanal-Magnetometer verwendeten SQUID-Magnetorneter sollte besonders erwähnt werden, daß sowohl der digitale SQUID- Sensor als auch das Rückkopplungsmittel in dem Kühlgefäß untergebracht sind. Somit tritt das Problem eines Eindringens von Wärme durch den Rückkopplungsleiter nicht auf.
Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung liefern insofern ein wünschenswertes Merkmal, als das Eindringen von Wärme durch Steuerzuleitungen, die verwendet werden, um das Auswahlsignal an das Auswahlmittel zu liefern, minimiert ist, weil die mögliche Zahl von Auswahlzuständen durch die Kombination der Auswahlsignale gegeben ist, welche viel größer als die Zahl von Steuerzuleitungen ist, die zum Liefern der Auswahlsignale notwendig sind. Dadurch kann die Zahl von Steuerzuleitungen zu dem Auswahlmittel hinsichtlich der vorbestimmten Zahl vön Kanälen reduziert werden, und das oben erwähnte vorzuziehende Merkmal einer Minimierung des Eindringens von Wärme wird erreicht.
Ein weiteres wichtiges Merkmal ist, daß das Tormittel zwischen dem SQUID-Sensor und dem Rückkopplungsmittel vorgesehen ist. Die Lieferung der Ausgangsspannungspulse von dem SQUID-Sensor an das Rückkopplungsmittel kann somit unterbrochen werden, wenn das SQUID-Magnetometer nicht ausgewählt ist und der Betrieb des SQUID-Magnetometers gestoppt ist. Mit anderen Worten hält das SQUID-Magnetometer jedes Kanals seinen Zustand, wenn es nicht ausgewählt ist, und nimmt einen Betrieb von dem so gehaltenen Zustand aus wieder auf, wenn es wieder ausgewählt ist. Dadurch erhält man die korrekte Zahl von Ausgabepulsen von dem SQUID-Sensor in Entsprechung zu der Größe des unbekannten Magnetflusses, selbst wenn das SQUID- Magnetometer während der Messung geschaltet wird.
Andere Aufgaben und weitere Merkmale der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden ausführlichen Beschreibung bestimmter Ausführungsformen davon ersichtlich, wenn sie in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen gelesen wird, in welchen:
FIG. 1 ein Blockdiagramm ist, das ein herkömmliches SQUID-Mehrkanal-Magnetometer zeigt, das eine Anzahl von SQUID-Sensoren und Rückkopplungsschaltungen nutzt, die parallel vorgesehen sind;
FIG. 2 ein Blockdiagramm ist, das die Konstruktion eines einen Multiplexer verwendenden, anderen herkömmlichen Mehrkanal SQUID-Magnetometers zeigt;
FIG. 3 ein Blockdiagramm ist&sub1; das die Konstruktion eines Mehrkanal-SQUID-Magnetometers gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
FIG. 4 ein Schaltungsdiagramm ist, das den wesentlichen Teil des Mehrkanal-SQUID-Magnetometers von FIG. 3 zeigt;
FIG. 5A - 5D Diagramme sind, die die logische Operation darstellen, die in dem Mehrkanal-SQUID-Magnetometer zum Auswählen eines bestimmten Kanals ausgeführt wird;
FIG. 6 ein Schaltungsdiagramm ist, das die Konstruktion einer in dem Mehrkanal-SQUID-Magnetometer von FIG. 3 verwendeten Auswahlschaltung zeigt;
FIG. 7 ein Schaltungsdiagramm ist, das ein anderes Beispiel der Konstruktion der Auswahlschaltung darstellt;
FIG. 8A - 8C Schaltungsdiagramme sind, die die Konstruktion von Josephson-Logikelementen zeigt, die in der Auswahlschaltung von FIG. 6 verwendet werden;
FIG. 9 ein Schaltungsdiagramm ist, das eine zweite Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
FIG. 10 ein Schaltungsdiagramm ist, das eine dritte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt; und
FIG. 11 ein Blockdiagramm ist, das eine vierte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG

FIG. 3 zeigt das Blockdiagramm des Geräts der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Gemäß FIG. 3 weist das Mehrkanal-SQUID-Magnetometer der vorliegenden Erfindung eine Anzahl digitaler SQUID-Sensoren 21a - 21n und entsprechender Rückkopplungsschaltungen 22a - 22n auf, worin jeder digitale SQUID-Sensor durch einen entsprechenden Rückkopplungsweg, wie z.B. die Rückkopplungswege 24a - 24n, mit einer entsprechenden Rückkopplungsschaltung verbunden ist. Dadurch detektiert der SQUID-Sensor, wie z.B. der SQUID 21a, ein unbekanntes Magnetfeld und erzeugt einen Ausgangsspannungspuls ähnlich dem Ausgabepuls des herkömmlichen digitalen SQUID von FIG. 1. Dieser Ausgabepuls des SQUID 21a wird an die Rückkopplungsschaltung 22a geliefert, welche Rückkopplungsschaltung einen Rückkopplungsstrorn erzeugt, der die Größe als Antwort auf jeden Ausgabepuls des SQUID-Sensors 21a ändert. Dieser Rückkopplungsstrom wird über einen Rückkopplungsweg 24a zu dem SQUID-Sensor 21a zum Erzeugen eines Magnetfeldes rückgekoppelt, das dem auftretenden unbekannten Magnetfluß entgegenwirkt. Der SQUID-Sensor 21a setzt ein Erzeugen der Ausgabepulse fort, bis der unbekannte Magnetfluß durch den Rückkopplungs-Magnetfluß, der durch den Rückkopplungsstrom induziert wird, vollkommen ausgelöscht ist. Dadurch repräsentiert die Zahl der so durch den SQUID-Sensor 21a erzeugten Ausgabepulse die Intensität des ünbekannten Magnetflusses, und die Polarität der Ausgabepulse gibt die Richtung des Magnetflusses an. Der bis jetzt beschriebene Betrieb ist bekannt und mit dem Fall des SQUID-Magnetometers von FIG. 1 identisch.
In dem Mehrkanal-SQUID-Magnetometer von FIG. 3 sind die SQUID-Sensoren 21a - 21n und Rückkopplungsschaltungen 22a - 22n, die mit den entsprechenden SQUID-Sensoren zusammenarbeiten, in Entsprechung zu der Vielzahl von Kanälen parallel angeordnet, worin die Ausgabe jedes SQUID-Magnetometerelements bei einem Knoten 27a über jeweilige Ausgabeleitungen 25a - 25n gesammelt wird. In dem Beispiel von FIG. 3 laufen die Ausgabeleitungen 25a - 25n über jeweilige Widerstände 26a - 26n bei dem Knoten 27a fächerförmig zusammen.
In der Konstruktion von FIG. 3 ist eine Anzahl von Steuertoren 23a - 23n zwischen den SQUID-Sensoren 21a - 21n und den Rückkopplungsschaltungen 22a - 22n vorgesehen. Jedes der Steuertore 23a - 23n wird mit einem später zu beschreibenden Steuersignal versorgt und läßt die Ausgabepulse des SQUID- Sensors als Antwort auf den logischen Zustand des Steuersignals selektiv zu der Rückkopplungsschaltung durch. Zum Beispiel ist das Steuertor 23a zwischen dem SQUID-Sensor 21a und der Rückkopplungsschaltung 22a vorgesehen und erlaubt selektiv einen Durchgang der Ausgabepulse des SQUID-Sensors 21a zu der Rückkopplungsschaltung 22a als Antwort auf den logischen Zustand eines Steuersignals STEUERUNG1. Ähnlich ist ein n-tes Steuertor 23n zwischen dem n-ten SQUID-Sensor 21n und der entsprechenden Rückkopplungsschaltung 23n vorgesehen und steuert den Durchgang der Ausgangsspannungspulse des SQUID- Sensors 21n als Antwort auf den logischen Pegel des Steuersignals STEUERUNGn. Es sollte besonders erwähnt werden, daß die SQUID-Sensoren 21a - 21n, die Rückkopplungsschaltungen 22a - 22n und die Steuertore 23a - 23n, einschließlich der Rückkopplungswege 24a - 24n und der Ausgabeleitungen 25a - 25n, alle innerhalb eines Niedrigtemperaturgefäßes 100 vorgesehen sind, das mit flüssigem Helium gefüllt ist, um die SQUID- Sensoren und die Rückkopplungsschaltungen in dem supraleitenden Zustand zu halten.
Ferner ist in dem Niedrigtemperaturgefäß 100 auch eine Auswahlschaltung 30 vorgesehen, um die Steuersignale STEUERUNG1 - STEUERUNGn zu erzeugen.. Die Auswahlschaltung 30 ist folglich durch n Steuerleitungen 29a - 29n mit jedem der Steuertore 23a - 23n verbunden. Diese Auswahlschaltung erzeugt wiederum die Steuersignale STEUERUNG1 - STEUERUNGn als Antwort auf Auswahlsignale, die von einer außerhalb des Nied rigtemperaturgefäßes 100 vorgesehenen Verarbeitungs- und Anzeigeeinheit 28 über Auswahisteuerleitungen 51a - 51m dazu geliefert werden. Die Verarbeitungs- und Anzeigeeinheit 28 wird über den Knoten 27a und die damit verbundene Leitung 27 mit der Ausgabe der SQUID-Sensoren 21a - 21n versorgt und wandelt die Zahl von Ausgabepulsen in die Intensität des Magnetfeldes um. Die Einheit 28 identifiziert ferner gestützt auf die Polarität der Ausgangsspannungspulse die Richtung des unbekannten Magnetflusses und zeigt die Richtung und Intensität des unbekannten Magnetflusses auf einem Anzeigeschirm oder einer anderen geeigneten Anzeigevorrichtung an. Ferner erzeugt die Verarbeitungs- und Anzeigeeinheit 28 die oben erwähnten Auswahlsignale und gibt dieselben auf den Auswahlsteuerleitungen 51a - 51m aus.
Im Betrieb wählt die Verarbeitungs- und Anzeigeeinheit 28 einen der Kanäle durch Erzeugen der Auswahlsignale aus. Als Antwort auf die Auswahlsignale wird eines der Steuertore, wie z.B. das Tor 23a, aktiviert, während andere Steuertore alle in dem nicht aktivierten oder inaktivierten Zustand eingestellt werden. Dadurch werden nur die Ausgangsspannungspulse von dem SQUID-Sensor 21a an die Rückkopplungsschaltung 22a geliefert, und die Rückkopplungsschaltung 22a ändert die Größe des entgegenwirkenden Magnetflusses schrittweise als Antwort auf jeden Ausgangsspannungspuls des SQUID-Sensors 21a. Andererseits erzeugen die anderen nicht ausgewählten SQUID- Sensoren, wie z.B. der SQUID-Sensor 21n, ebenfalls die Ausgabepulse, solange es einen verkettenden unbekannten Magnetfluß gibt. Die Ausgabepulse dieser nicht ausgewählten SQUID- Sensoren werden jedoch bei den Steuertoren, wie z.B. dem Tor 23a, blockiert und daran gehindert, an den entsprechenden Rückkopplungsschaltungen, wie z.B. der Rückkopplungsschaltung 22n, anzukommen. Dadurch werden keine Ausgabepulse von den nicht ausgewählten Kanälen an den Knoten 27a und somit an die Verarbeitungs- und Anzeigeeinheit 28 geliefert. Nur dem Ausgabepuls von dem ausgewählten Kanal wird erlaubt, an der Einheit 28 anzukommen. Ferner werden den mit den nicht ausgewählten SQUID-Sensoren zusammenarbeitenden Rückkopplungsschaltungen ankommende Pulse vorenthalten, und somit wird das Rückkopplungs-Magnetfeld, das dem unbekannten Magnetfluß entgegenwirkt, während des Intervalls nicht geändert, wenn der SQUID-Sensor nicht ausgewählt ist. Deshalb ändert sich der Zustand der SQUID-Magnetometer in den Kanälen, die nicht ausgewählt sind, während dieses Nicht-Auswahl-Intervalls nicht, und die SQUID-Magnetometer nehmen den vorherigen Betrieb wieder auf, wann immer sie das nächste Mal ausgewählt werden.
Es sollte besonders erwähnt werden, daß die Zahl von Auswahlsteuerleitungen 51a - 51m wesentlich kleiner als die Zahl von Kanälen sein kann, weil die Auswahlschaltung 30 die Steuersignale als eine Kombination der Auswahlsignale erzeugt. Dadurch verursacht das Eindringen von Wärme in das Niedrigtemperaturgefäß 100 durch die Auswahlsteuerleitungen kein ernstes Problem. Dieser Funkt wird später in bezug auf den Aufbau oder die Konstruktion der Auswahlschaltung 30 untersucht.
FIG. 4 zeigt ausführlich die Konstruktion des SQUID- Sensors 21a und der zusammenarbeitenden Rückkopplungsschaltung 22a zusammen mit der Konstruktion des Steuertors 23a.
Gemäß FIG. 4 weist der SQUID-Sensor 21a eine geschlossene supraleitende Detektionsschleife 33 auf, die darin supraleitende Detektionsspulen 31a und 31b zum Verketten mit dem unbekannten Magnetfluß und eine andere supraleitende Kopplungsspule 32 zur magnetischen Kopplung mit einem SQUID-Interferometer 34 enthält. Das SQUID-Interferometer weist eine mit der supraleitenden Kopplungsspule 32 gekoppelte supraleitende Kopplungsspule 35 und ein Paar Josephson-Übergänge J1 und J2 auf, die beide Enden der Spule 35 mit einer supraleitenden Erdungsebene oder Groundplane (engl. ground plane) nebenschließen. Dadurch wird eine das SQUID-Interferometer 34 bildende geschlossene Schleife durch die Spule 351 den Josephson-Übergang J1, die Groundplane und den Josephson-Übergang J2 geschaffen. Ferner wird das SQUID-Interferorneter 34 mit einem Wechselstrom-Ansteuerstrom von einer Wechselspannungsquelle 36 an einem Knoten versorgt, der den Josephson-Übergang J1 und die supraleitende Spule 35 verbindet.
Im Betrieb werden die Josephson-Übergänge J1 und J2 mit dem Wechselstrom-Ansteuerstrom von der Wechselspannungsquelle 36 wie vorher beschrieben versorgt. Am Beginn sind die Josephson-Übergänge J1 und J2 in einem Null-Spannung-Zustand, der durch einen Null-Widerstand gekennzeichnet ist. Die Größe dieses Wechselstrom-Ansteuerstroms ist ein wenig kleiner als ein Schwellenpegel eingestellt, oberhalb dem die Josephson- Übergänge J1 und J2 einen Übergang von dem Null-Spannung- Zustand in einen Endliche-Spannung-Zustand bewirken, der durch einen endlichen Widerstand gekennzeichnet ist.
Wenn es einen mit den Detektionsspulen 31a und 31b der Detektionsschleife 33 verkettenden unbekannten Magnetfluß gibt, fließt ein Induktionsstrom durch die Schleife 33. Dieser Induktionsstrom wiederum induziert einen zweiten Induktionsstrom in der SQUID-Interferometerschleife 34. Dadurch überschreitet als Antwort auf den Spitzenpegel des Wechselstrom-Ansteuerstroms der Betrag eines durch die Schleife 34 fließenden Stroms den Schwellenpegel des Übergangs von einem Null-Spannung-Zustand in einen Endliche-Spannung-Zustand der Josephson-Übergänge J1 und J2. Somit erfahren die Josephson- Übergänge J1 und J2 den Übergang in den Endliche-Spannung- Zustand, und der SQUID-Sensor 21a erzeugt als Antwort auf den Spitzenpegel des Wechselstrom-Ansteuerstroms eine Folge von Pulsen, solange der unbekannte Magnetfluß mit der Detektionsschleife 33 verkettet.
Dieser Ausgabepuls des SQUID-Sensors 21a wird dann an das Steuertor 23a geliefert und von dort weiter an die Verarbeitungs- und Anzeigeeinheit 28 auf der einen Seite und an die Rückkopplungsschaltung 22a auf der anderen Seite geliefert. Wie in FIG. 4 ersichtlich ist, weist das Steuertor 23a ein Josephson-ODER-Tor 45 auf, das mit dem Steuersignal STEUE- RUNG1 versorgt wird und dasselbe für eine Periode eines Hochpegelzustands des Signals STEUERUNG1 verriegelnd, ein anderes über Wechselstrom vorgespanntes Josephson-ODER-Tor 46, das mit dem Ausgangsspannungspuls des SQUID-Sensors 21a versorgt wird und dasselbe während der aktiven Periode der Wechselstromvorspannung verriegelnd, und ein Josephson-UND-Tor 44, das ein logisches Produkt der Ausgabe des ODER-Tors 45 und der Ausgabe des ODER-Tors 46 erzeugt. Mit anderen Worten wird der Ausgangsspannungspuls des SQUID-Sensors 21a an die Rückkopplungsschaltung 22a und die Verarbeitungs- und Anzeigeeinheit 28 nur geliefert, wenn der logische Pegel des STEUERUNG1 hoch ist.
Es sollte besonders erwähnt werden, daß das Josephson- ODER-Tor 45 durch das Steuersignal STEUERUNG1 freigegeben wird, das daran als eine Vorspannung separat zu dem Eingangssteuersignal STEUERUNG1 geliefert wird, und als Antwort auf dessen niedrigen Pegel zurückgesetzt wird. Das Josephson- ODER-Tor 46 wird ferner durch den von der Wechselspannungsquelle 36 dazu gelieferten Wechselstrom-Ansteuerstrom freigegeben und verriegelt den dazu gelieferten Ausgabepuls synchron mit dem Wechselstrom-Ansteuerstrom. Der Betrieb dieser Josephson-ODER-Tore wird später mit Verweis auf FIG. 8A beschrieben.
Die Rückkopplungsschaltung 22a wird andererseits mit dem Ausgangsspannungspuls von dem Steuertor 23a über eine supraleitende Spule 39 versorgt. Diese supraleitende Spule 39 ist auf der einen Seite mit einem SQUID-Interferometer, das eine mit der Spule 39 magnetisch gekoppelte supraleitende Spule 38 und Josephson-Übergänge J3 und J4 aufweist, die beide Enden der Spule 38 mit der supraleitenden Groundplane nebenschließen, und auf der anderen Seite mit einem ersten Ende einer anderen supraleitenden Spule 41 verbunden. Das zweite Ende der Spule 41 ist mit der Groundplane verbunden. Konkreter ist die supraleitende Spule 39 mit einem Knoten verbunden, wo der Josephson-Übergang J3 und die supraleitende Spule 38 miteinander verbunden sind, und der Josephson-Übergang J3 bewirkt einen momentanen Übergang in den Spannungszustand als Antwort auf die Anstiegsflanke des Ausgabepulses des SQUID-Sensors 21a und kehrt sofort zu dem ursprünglichen Null-Spannung- Zustand zurück. Als Antwort auf diesen Übergang des Josephson-Übergangs J3 gelangt ein mit dem Strom des Ausgangsspannungspulses verbundener Magnetfluß in die SQUID-Interferometerschleife 37 und wird als Antwort auf das Zurückkehren des Josephson-Übergangs J1 zu dem Null-Spannung-Zustand darin als ein Flußquant gefangen.
Als Antwort auf die abfallende Flanke des Ausgangsspannungspulses bewirkt andererseits der Josephson-Übergang J4 einen momentanen Übergang in den Endliche-Spannung-Zustand und kehrt sofort zu dem Null-Spannung-Zustand zurück. Beim Übergang in den Endliche-Spannung-Zustand wird das gefangene Flußquant von der Schleife 37 zu der supraleitenden Spule 41 übertragen. Dadurch fließt ein Induktionsstrorn durch die Spule 41, und der Josephson-Übergang J4 kehrt zu dem Null- Spannung-Zustand zurück. Danach fließt der Induktionsstrom durch die supraleitende Spule 41 als ein anhaltender Rückkopplungsstrom und induziert einen Magnetfluß in der Spule 41 als einen gespeicherten Magnetfluß. Die Größe dieses gespeicherten Magnetflusses ändert sich schrittweise als Antwort auf jeden Ausgangsspannungspuls des SQUID-Sensors 21a wegen der Quantisierung des Magnetflusses in den SQUID-Interferometerschleifen 37 und 41. Die Spule 41 ist mit der Spule 32 über eine Rückkopplungsschleife 43 magnetisch gekoppelt, die schematisch die magnetische Kopplung zwischen der Spule 41 und der supraleitenden Detektionsschleife 33 repräsentiert, und der Magnetfluß wird so zu der Detektionsschleife 33 rückgekoppelt. Der so rückgekoppelte Magnetfluß wirkt dem unbekannten Magnetfluß entgegen und reduziert die Nettointensität des Magnetflusses, der durch die Detektionsschleife 33 detektiert wird. Deshalb wird die Größe des detektierten Magnetflusses als Antwort auf jeden Ausgabepuls des SQUID-Sensors 21a schrittweise verringert, bis der unbekannte Magnetfluß vollkommen ausgelöscht ist. Durch Zählen der Anzahl der so erzeugten Ausgabepulse kann man die Intensität des Magnetfeldes bestimmen. Andererseits wird die Richtung oder Polarität des Magnetfeldes gestützt auf die Polarität der Ausgangsspannungspulse detektiert.
Wie schon bemerkt wurde, wird das Liefern der Ausgangsspannungspulse an die Rückkopplungsschaltung 22a durch das Steuertor 23a als Antwort auf das Steuersignal STEUERUNG1 gesteuert. Wenn das Steuertor 23a in dem inaktivierten Zustand ist und der Durchgang der Ausgangsspannungspulse zu der Rückkopplungsschaltung 22a blockiert ist, werden somit auch die Ausgabepulse daran gehindert, die Verarbeitungs- und Anzeigeeinheit 28 zu erreichen, trotz der Tatsache, daß der SQUID- Sensor 21a fortfährt, die Ausgabepulse zu erzeugen. Während der nicht ausgewählten Periode zählt somit die Einheit 28 nicht die durch die SQUID-Sensoren der nicht ausgewählten Kanäle erzeugten Ausgangsspannungspulse hoch. Wenn der Kanal 21a nicht ausgewählt ist, bleibt ferner der in der supraleitenden Spule 41 gespeicherte Magnetfluß unverändert. Dies bedeutet, daß sich der Zustand des SQUID-Magnetometers während des nicht ausgewählten Intervalls nicht ändert und daß das SQUID-Magnetometer jedes Kanals seinen Betrieb wiederaufnimmt, wann immer es durch das Steuersignal wieder ausgewählt wird.
Die FIG. 5A - 5D zeigen das Funktionsprinzip der Auswahlschaltung 30. Die Auswahlschaltung 30 weist eine Anzahl von Schaltungsteilen Q1 - Qn auf, die jeweils parallel mit den Auswahlsteuerleitungen 51a - 51m verbunden sind, um die Auswahlsignale davon zu empfangen.
Gemäß FIG. 5A, die den ersten Teil Q1 der Auswahlschaltung 30 zeigt, wird der Schaltungsteil Q1 mit binären Eingabeauswahlsignalen A1, A2, ..., Am von den Auswahlsteuerleitungen 51a - 51m versorgt und erzeugt ein logisches Produkt A1 A2 ... Am, das den ersten Kanal adressiert, als das Steuersignal STEUERUNG1.
Ähnlich wird der zweite Teil Q2 der Auswahlschaltung mit den Eingabeauswahlsignalen /A1, A2, ..., Am über die Auswahlsteuerleitungen versorgt und erzeugt ein Steuersignal STEUERUNG2 als ein logisches Produkt /A1 A2 ... Am, das den zweiten Kanal adressiert, wie in FIG. 5B dargestellt ist. Steuersignale STEUERUNG3 - STEUERUNGn werden, wie in den FIG. 5C und 5D gezeigt ist, ähnlich erzeugt.
Hier sollte besonders erwähnt werden, daß die Zahl der Steuersignale STEUERUNG1 - STEUERUNGn durch die Kombination des logischen Zustands der m Auswahlsignale A1 - Am gegeben ist. Mit anderen Worten ist die Zahl der Steuersignale, die jeweils einem Kanal entsprechen, als 2m gegeben, das viel größer als die Zahl m ist. Mit anderen Worten kann die Zahl der in der vorliegenden Konstruktion verwendeten Auswahlsteuerleitungen 51a - 51m viel kleiner als die Zahl der Kanäle in dem Niedrigtemperaturgefäß 100 sein. Dadurch ist das Eindringen von Wärme in das flüssige Helium in dem Gefäß 100 durch die Auswahlsteuerleitung minimiert. Zum Beispiel reichen nur 8 derartige Auswahlsteuerleitungen zum Adressieren der 256 Kanäle in dem Niedrigtemperaturgefäß 100 aus. Dies vergleiche man mit dem herkömmlichen Fall, bei dem 256 Leitungen für die Verbindung zwischen den Kanälen in dem Gefäß 100 und der Steuerungs- und Auswahleinheit verwendet wurden. Selbst wenn weitere 8 Leitungen 52a - 52m in einer Verbindung zwischen der Auswahlschaltung 30 und der Verarbeitungs/Anzeigeeinheit 28 in Entsprechung zu den Leitungen 51a - 51m wie in dem Fall des folgenden Beispiels vorgesehen sind, verursacht eine sol che Zunahme kein ernsthaftes Problem hinsichtlich des Eindringens von Wärme durch den Leiter.
FIG. 6 zeigt die ausführliche Konstruktion des Schaltungsteils Q1 von FIG. 5A.
Gemäß FIG. 6 sind eine Anzahl von Josephson-ODER-Toren 61, 62, 63, 64, ... vorgesehen, die mit den Auswahlsteuerleitungen magnetisch gekoppelt sind. Zum Beispiel sind die Leitungen 51a und 52a, die in Reihe geschaltet sind und eine Induktivität dazwischen bilden, mit dem Tor 61 gekoppelt. In der Praxis können die Leitungen 51a und 52a ein einziger supraleitender Streifen sein, der in Entsprechung zu dem Tor 61 umgelenkt ist, wo die koppelnde Induktivität gebildet ist. Ähnlich sind die Leitungen 51b und 52b mit einem Josephson- ODER-Tor 62 magnetisch gekoppelt, sind die Leitungen 51c und 52c mit einem Josephson-ODER-Tor 63 magnetisch gekoppelt, sind die Leitungen 51d und 52d mit einem Josephson-ODER-Tor 64 magnetisch gekoppelt und dergleichen. Die ODER-Tore werden ferner durch einen Vorspannungsstrom φ angesteuert, der durch die Einheit 28 geliefert wird, und verriegeln die so dazu gelieferten Auswahlsteuersignale A1 - A4 während ihrer aktiven Periode. Der Vorspannungsstrom φ setzt periodisch zurück, um das Josephson-ODER-Tor bei jedem Takt zurückzusetzen.
Die Josephson-ODER-Tore 61 und 62 sind mit einem Josephson-UND-Tor 71 verbunden, um ein logisches UND-Tor UND1 zu bilden, das ein gewöhnliches logisches Produkt der Eingabeauswahlsignale A1 und A2 erzeugt, die über das Leitungspaar 51a und 52a bzw. das Leitungspaar 51b und 52b geliefert werden. Die Josephson-ODER-Tore 63 und 64 sind ähnlich mit einem Josephson-UND-Tor 72 verbunden, um ein logisches UND-Tor UND2 zu bilden, das ein gewöhnliches logisches Produkt der Eingabeauswahlsignale A3 und A4 erzeugt. Das UND1-Tor und UND2-Tor sind mit einem Logisches-Produkt-Tor UND11 der nächsten Stufe verbunden, das ein die Ausgabe von dem UND1 empfangendes Josephson-ODER-Tor 65, ein die Ausgabe von dem UND2 empfangendes Josephson-ODER-Tor 66 und ein die Ausgaben der Josephson- ODER-Tore 65 und 66 empfangendes Josephson-UND-Tor 73 aufweist. In dem Schaltungsteil Q1 wird solch eine Anordnung der Josephson-ODER- und -UND-Tore, um das logische UND-Tor zu bilden, für andere Auswahlsignale A5 - Am wiederholt, und diese logischen UND-Tore sind in einer Anzahl Stufen angeordnet. Dadurch gibt es ein Tor UNDz einer letzten Stufe, das das logische Produkt aller Auswahlsignale A1, A2, ..., Am erzeugt. Die gleiche Konstruktion ist auf die anderen Schaltungsteile Q2 - Qn anwendbar. Es sollte besonders erwähnt werden, daß in dem Fall der Josephson-Logikschaltungen die eingegebenen logischen Daten in der Form wahrer Daten und komplementärer Daten gegeben sind. Somit ist die logische Inversion der Daten, wie z.B. /A1 ..., immer verfügbar. Natürlich kann man das Josephson-ODER-Tor, das das invertierte Auswahlsignal empfängt, durch einen zeitgesteuerten Josephson-Inverter ersetzen, dessen Konstruktion später beschrieben wird.
Der oben erwähnte Aufbau einer magnetischen Kopplung ist vorzuziehen, weil die Verbindung der Auswahlsteuerleitungen 51a - 51m, 52a - 52m durch die serielle Ausgangsauffächerung erreicht wird, was die Zahl von Ausgangsauffächerungen reduziert. Zum Beispiel kann die Auswahisteuerleitung 51a gemeinsam von den Josephson-ODER-Toren in den Schaltungsteilen Q1 - Qn verwendet werden. Dadurch wird die Ausführung der Verbindung der Auswahlsteuerleitungen vereinfacht.
FIG. 7 zeigt eine alternative Konstruktion des Schaltungsteils Q1, worin die logische Inversion der Auswahlsignale /A1, /A2, ..., /Am über jeweilige Widerstände 93a - 93m an ein Josephson-ODER-Tor 94 geliefert wird. Das Josephson-ODER- Tor wiederum wird als Antwort auf das erste Phasensignal φ1 der Dreiphasen-Vorspannungssignale φ1, φ2 und φ3 oder der Zweiphasen-Vorspannungssignale φ1 und φ2 betrieben und verriegelt die logische Summe der gelieferten Signale während des positiven Intervalls des Taktes φ1. Die bei dem Josephson-ODER-Tor 94 gehaltene Summe wird dann zu einem zeitgesteuerten Inverter 97 übertragen, der als Antwort auf den zweiten Phasentakt φ2 angesteuert wird, und der zeitgesteuerte Inverter 97 gibt die logische Inversion der logischen Summe der Eingangssignale /A1 - /Am aus. Dadurch wird ein logisches Produkt A1 A2 ... Am bei dem Ausgang des zeitgesteuerten Inverters 97 als ein Ergebnis der wohlbekannten logischen Regel erhalten. Wenn diese Schaltung für den Schaltungsteil verwendet wird, der von dem Teil Q1 verschieden ist, werden das Eingangssignal oder die Signale geeignet invertiert, indem ein anderer zeitgesteuerter Inverter in der Eingangsseite vorgesehen ist. Die Modifikation dafür ist offenkundig, und deren weitere Beschreibung wird weggelassen.
Gewöhnlich sind die wahren logischen Daten und komplementären logischen Daten in dem Fall der Josephson-Logikschaltungen wie schon beschrieben verfügbar.
Die FIG. 8A - 8C sind Schaltungsdiagramme des Josephson- ODER-Tors, Josephson-UND-Tors und des zeitgesteuerten Josephson-Inverters, die in den vorherigen Schaltungen verwendet werden, worin diese Diagramme ein Josephson-Logiktor zeigen, das zuvor von Fujimaki et al. "Josephson Modified Variable Threshold Logic Gates for Use in Ultra-High-Speed LSI", IEEE Transactions on Electron Devices, Bd. 36, Nr. 2, Februar 1989, beschrieben wurde. Es sollte besonders erwähnt werden, daß in diesen Schaltungen ein bekannter Aufbau einer direkten Kopplung anstelle des mit Verweis auf die ODER-Tore 61 - 64 beschriebenen Aufbaus einer magnetischen Kopplung verwendet wird.
Das ODER-Tor von FIG. 8A bildet ein asymmetrisches SQUID- Interferometer und enthält darin Josephson-Übergänge J1 und J2, worin der Josephson-Übergang J1 einen kritischen Strom pIm aufweist, während der Josephson-Übergang J2 einen kritischen Strom qIm aufweist. Hier gilt eine Beziehung p + q = 1. Ferner ist eine Induktivität L enthalten, die in einen linken Zweig mit einer Induktivität qL (worauf im folgenden als "Induktivität qL" verwiesen wird) und einen rechten Zweig mit einer Induktivität pL (worauf im folgenden als "Induktivität pL" verwiesen wird) geteilt, worin der Zweig qL ein über den Josephson-Übergang J1 mit der Erdung verbundenes Ende aufweist und der Zweig pL ein über den Josephson-Übergang J2 mit der Erdung verbundenes Ende aufweist. Das andere Ende des Zweiges qL und das andere Ende des Zweiges pL sind bei einem zentralen Knoten C miteinander verbunden, in den die Vorspannung als ein Vorspannungsstrom Ig eingespeist wird. Ferner ist eine Induktivität Lx vorgesehen, um eine magnetische Kopplung mit den Zweigen qL und pL über eine Wechselinduktivität M einzurichten. Die Induktivität Lx weist ein mit einem oder mehreren Eingangsanschlüssen zum Empfangen eines Eingangsstroms Ic verbundenes Ende und ein anderes Ende auf, das über einen dritten Josephson-Übergang J3 mit der Induktivität qL an dem Ende verbunden ist, das über den Josephson-Übergang J1 mit der Erdung verbunden ist.
Im Betrieb sind die Josephson-Übergänge J1 - J3 im Anfangszustand alle in dem Null-Spannung-Zustand, bei dem der Pegel der Vorspannung bei Null eingestellt ist. Dadurch fließt der Vorspannungsstrom Ig direkt mit einem erhöhten Pegel der Vorspannung in die Erdung, und an einem Ausgangsanschluß AUS, der mit dem Knoten C verbunden ist, erscheint eine niedrige oder Null-Spannung-Ausgabe. Die Josephson-Übergänge J1 - J3 bleiben in dem eingeschalteten Zustand, solange es keinen Eingangsstrom Ic gibt, selbst wenn die Vorspannung zu dem Hoch-Pegel-Zustand gewechselt hat.
Wenn der durch die Josephson-Übergänge J1 und J2 fließende Strom als Folge einer Zunahme in dem Eingangsstrom Ic eine vorbestimmte Schwelle überschritten hat, veranlassen andererseits die Josephson-Übergänge J1 und J2 einen Übergang in den ausgeschaltenen Zustand. Dadurch beginnt der Vorspannungsstrom Ig, durch den Josephson-Übergang J3 zu der Erdung zu fließen, nachdem er durch den Widerstand Ri fließt, und als Antwort darauf wird der Josephson-Übergang J3 ausgeschaltet. Folglich wird eine hohe Ausgabe an dem Ausgangsanschluß erhalten. Offensichtlich wird der Übergang des Zustands der Ausgabe als Antwort auf die Summe des Eingangsstroms am Eingangsanschluß EIN bewirkt, und somit arbeitet die Schaltung von FIG. 5A wie eine logische Summe oder ODER-Schaltung. Eine ausführlichere Analyse der Schaltung von FIG. 5A kann in der oben erwähnten Referenz von Fujimaki et al. gefunden werden. In der Schaltung von FIG. 6 werden die Eingangssignale durch die magnetische Kopplung der Auswahlsteuerleitungen mit der Induktivität Lx geliefert.
FIG. 8B zeigt die Konstruktion des Josephson-UND-Tors. Gemäß FIG. 8B weist das UND-Tor einen Knoten D auf, wo die Eingangssignale über jeweilige Widerstände Ra und Rb gemischt werden, und einen Josephson-Übergang Ja, der den Knoten D nebenschließt. Der Josephson-Übergang Ja ist so konstruiert, daß er einen Schwellenstrom eines Übergangs von dem Null- Spannung-Zustand in den Endliche-Spannung-Zustand aufweist, so daß der Übergang nur stattfindet, wenn es Eingangsströme an beiden Eingangsanschlüssen EIN gibt. Dadurch erzeugt die Schaltung ein logisches Produkt der eingegebenen logischen Signale. Eine vollständigere Beschreibung dieser Schaltung kann in der oben erwähnten Fujimaki-Referenz gefunden werden.
FIG. 8C zeigt den in den vorhergehenden Schaltungen verwendeten zeitgesteuerten Inverter. Der zeitgesteuerte Inverter weist ein Josephson-ODER-Tor auf, das durch den Taktstrom Ig als Antwort auf das Signal TAKT angesteuert wird, das über einen Widerstand Rs an das ODER-Tor geliefert wird, und durch den Niedrigpegelzustand des Taktes periodisch zurückgesetzt wird. Ferner wird die Vorspannung durch Widerstände R1 und R2 spannungsgeteilt und an das ODER-Tor über einen Josephson- Übergang J3 von einem Knoten F geliefert, der an einer Verbindungsstelle zwischen dem Widerstand R1 und dem Widerstand R2 gebildet ist. Ferner wird ein Eingangssignal über den Knoten F an das ODER-Tor geliefert. Zu diesem Zweck ist ein Eingangsanschluß EIN über einen Widerstand Rin' mit dem Knoten F verbunden.
Wenn der von dem Knoten F zu dem ODER-Tor fließende Strom als Antwort auf den Nichteingabe-Stromzustand bei dem Eingangsanschluß EIN unterhalb eines kritischen Strompegels Ic ist, hält der an das ODER-Tor als Antwort auf das Taktsignal gelieferte Strom im Betrieb die Ausgabe des ODER-Tors bei einem Hochpegelzustand aufrecht. Wenn es einen Eingangsstrom an dem Eingangsanschluß EIN gibt, übersteigt andererseits der von dem Knoten F an das ODER-Tor gelieferte Strom den kritischen Strom Ic, und der Josephson-Übergang J3 wird als Antwort darauf ausgeschaltet. Dadurch verschwindet der Eingangsstrom zu dem ODER-Tor, und die Ausgabe des ODER-Tors, die an einem Knoten E zwischen dem ODER-Tor und dem Widerstand Rs erhalten wird, ändert sich zu einem Niedrigpegelzustand. Somit wird eine Inversion des eingegebenen logischen Signals an einem Ausgangsanschluß AUS erhalten, der mit dem Knoten E verbunden ist.
Als nächstes wird eine zweite Ausführungsform der vorliegenden Erfindung mit Verweis auf FIG. 9 beschrieben. Es sollte besonders erwähnt werden, daß diese Zeichnung nur ein SQUID-Magnetometer oder Kanal-Magnetometer zeigt, das in dem Mehrkanal-SQUID-Magnetometer ähnlich dem Fall von FIG. 4 verwendet wird. In FIG. 9 sind denjenigen Teilen, die den vorher mit Verweis auf FIG. 4 beschriebenen Teilen entsprechen, identische Bezugsziffern gegeben, und deren Beschreibung wird weggelassen.
Gemäß der Zeichnung verwendet das Kanal-Magnetometer einen sogenannten Gleichstrom-SQUID-Sensor 81, der mit der supraleitenden Detektionsschleife 33 magnetisch gekoppelt ist, und einen SQUID-Komparator 86. Der Gleichstrom-SQUID-Sensor 81 weist eine mit der supraleitenden Spule 32 der Schleife 33 magnetisch gekoppelte supraleitende Spule 35 und ein Paar Josephson-Übergänge J1 und J2 auf, die die Enden der Spule 35 mit der supraleitenden Groundplane nebenschließen. Dadurch wird durch die Spule 35, die Josephson-Übergänge J1 und J2 und die Groundplane ein SQUID-Interferometer 34 gebildet. Ferner wird von einer Gleichspannungsquelle 84 ein Gleichstrom-Ansteuerstrom über einen Mittelpunkt in der Spule 35 an die Josephson-Übergänge J1 und J2 geliefert.
Wenn es einen die Spulen 31a und 31b der Detektionsschleife 33 verkettenden unbekannten Magnetfluß gibt, induziert im Betrieb der Induktionsstrom in der Detektionsschleife 33 einen Induktionsstrom in der SQUID-Interferometerschleife 34. In der Schleife 34 werden die Josephson-Übergänge J1 und J2 durch die Gleichspannungsquelle vorgespannt, um den Übergang der Josephson-Übergänge in den Spannungszustand bei der Schwelle zu bewirken, die wiederum als Antwort auf den Induktionsstrom geändert wird. Als Antwort darauf wird eine der Größe des Induktionsstroms in der Schleife 34 proportionale Spannung über die Widerstände 82 und 83 gebildet, die mit den Josephson-Übergängen J1 und J2 parallel verbunden sind. Diese Spannung wird dann über einen Widerstand 85 an den SQUID-Komparator 86 der nächsten Stufe geliefert.
Der SQUID-Komparator 86 weist eine mit dem Widerstand 85 verbundene supraleitende Spule 89 zum Empfangen der Ausgangs spannung von dem Gleichstrom-SQUID-Sensor 81 auf, eine andere supraleitende Spule 88, die mit der Spule 89 magnetisch gekoppelt ist und ein SQUID-Interferometer 87 zusammen mit Josephson-Übergängen J5 und J6 bildet, die die Enden der Spule 88 mit der Groundplane nebenschließen. Das Interferometer 87 wird als Antwort auf ein von einer Wechselspannungsquelle 90 geliefertes Wechselstrom-Ansteuersignal angesteuert und bildet einen Ausgangsspannungspuls als Antwort auf jeden Zyklus des Wechselstrom-Ansteuersignals ähnlich dem Fall des digitalen SQUID-Sensors 21a von FIG. 4 während des Intervalls, in dem die Ausgangsspannung von dem Gleichstrom-SQUID-Sensor 81 geliefert wird.
Die so erzeugten Ausgangsspannungspulse werden dann an eine supraleitende digitale Rückkopplungsschaltung 91 geliefert, die einen supraleitenden Aufwärts/Abwärtszähler 91a und einen supraleitenden D/A-Wandler 91b aufweist, deren Konstruktion in dem US-Patent 4 947 118 offenbart ist. In dem supraleitenden Aufwärts/Abwärtszähler wird die Zahl der Ausgabepulse zusammen mit ihrer Polarität aufwärts gezählt, und von der Gesamtzahl positiver Ausgabepulse wird die Gesamtzahl negativer Ausgabepulse subtrahiert. Die so erzeugte Differenz gibt die Größe des Rückkopplungs-Magnetflusses an, der zu der Detektionsschleife rückgekoppelt werden soll, und die Ausgabedaten werden in ein analoges Signal umgewandelt, das die Größe des zum Erzeugen des Rückkopplungs-Magnetflusses verwendeten Rückkopplungsstroms repräsentiert.
Dieser so erzeugte Rückkopplungs-Magnetfluß wiederum ist mit der supraleitenden Detektionsschleife 33 magnetisch ge koppelt, wie schematisch durch eine Linie 92 dargestellt ist, die die magnetische Kopplung repräsentiert, und es wird in der Schleife 33 ein entgegenwirkender Rückkopplungs-Magnetfluß induziert. Ähnlich der ersten Ausführungsform wird die Größe des Rückkopplungs-Magnetflusses als Antwort auf jeden Ausgabepuls des SQUID-Komparators 86 schrittweise geändert, bis der unbekannte Magnetfluß vollkommen ausgelöscht ist. Ähnlich der ersten Ausführungsform wird die Messung der Stärke des unbekannten Magnetfeldes durch Aufwärtszählen der Anzahl so erzeugter Ausgangsspannungspulse erreicht, und die Detektion der Richtung des Magnetflusses wird durch Detektieren der Polarität der Ausgangsspannungspulse erreicht.
Beim Konstruieren des Mehrkanal-Magnetometers wird eine Anzahl in FIG. 9 gezeigter Schaltungen parallel angeordnet, wie schon in bezug auf FIG. 3 dargestellt und beschrieben wurde. Dadurch wird jeder Kanal durch die Auswahlschaltung 30 adressiert. Weil dieser Teil der Konstruktion mit der vorherigen Ausführungsform identisch ist, wird ihre Beschreibung weggelassen.
FIG. 10 zeigt eine dritte Ausführungsform, worin der digitale SQUID-Sensor 21a von FIG. 4 mit der supraleitenden digitalen Rückkopplungsschaltung 91 von FIG. 9 kombiniert ist. Natürlich können der Aufwärts/Abwärtszähler und der D/A-Wand 1er außerhalb des Niedrigtemperaturgefäßes 100 vorgesehen sein. Dies ist jedoch nicht vorzuziehen, weil eine solche Konstruktiön die Zahl von Leitungen erhöht, die die SQUID- Magnetorneter in dem Gefäß 100 mit den Schaltungen außerhalb des Gefäßes 100 verbinden, und somit das Eindringen von Wärme in das flüssige Helium erhöht. Das gleiche Argument gilt auch für die Auswahischaltung 30. So kann man die Auswahlschaltung außerhalb des Niedrigtemperaturgefäßes 100 vorsehen. Wegen des übermäßigen Eindringens von Wärme und daher des Verbrauchs des flüssigen Heliums ist jedoch eine solche Konstruktion nicht vorzuziehen.
FIG. 11 zeigt eine vierte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. In dieser Ausführungsform ist ein Josephson- Aufwärts/Abwärtszähler 150 innerhalb des Niedrigtemperaturgefäßes 100 zum Empfangen der Ausgangsspannungspulse über die Ausgabeleitung 27 vorgesehen. Ferner kann es in dem Niedrigtemperaturgefäß 100 ebenfalls einen weiteren Josephson-Prozessor 151 zum Verarbeiten der Ausgabe des Josephson-Aufwärts/Abwärtszählers 150 geben. Der Prozessor 151 kann verschiedene Datenverarbeitungen durchführen, wie z.B. die Fourier-Transformation, Identifizierung der Quelle des unbekannten Magnetfeldes und dergleichen. In diesem Fall empfängt die Einheit 28 außerhalb des Niedrigtemperaturgefäßes 100 nur die verarbeitete Ausgabe und kann einfach eine Anzeigeeinheit sein.
Die vorliegende Erfindung ist ferner nicht auf die bisher beschriebenen Ausführungsformen beschränkt, sondern verschiedene Variationen und Modifikationen können vorgenommen werden, ohne von dem Umfang der Erfindung abzuweichen, wie sie durch die beigefügten Ansprüche definiert ist.

Claims

1. Ein supraleitendes Mehrkanal-Quanteninterferenz- Magnetometer zum Messen eines unbekannten Magnetfeldes mit:

einem Kühlgefäß (100) zum Halten eines Kühlmediums;

einer Vielzahl supraleitender Quanteninterferenz-Magnetometerelemente, eines für jeden Kanal, jedes Magnetometerelement enthaltend:

einen SQUID-Sensor (21a - 21n), der eine aus einer geschlossenen Schleife eines supraleitenden Körpers gebildete supraleitende Detektionsschleife (33) zum Verketten mit dem unbekannten Magnetfeld enthält; und eine mit der supraleitenden Detektionsschleife magnetisch gekoppelte supraleitende Quanteninterferenzvorrichtung (SQUID) (34) zum Erzeugen von Ausgangsspannungspulsen als Antwort auf das Verketten der supraleitenden Detektionsschleife mit dem unbekannten Magnetfeld, welche SQUID-Sensoren (21) in dem Kühlgefäß untergebracht sind, um durch das Kühlmedium gekühlt zu werden;

ein Rückkopplungsmittel (22a - 22n), das mit den Ausgangsspannungspulsen von dem SQUID versorgt wird, zum Erzeugen eines Magnetflusses, der dem unbekannten Magnetfluß in der Detektionsschleife infolge des unbekannten Magnetfeldes entgegenwirkt, äls Antwort auf jeden Ausgangsspannungspuls; und

ein Tormittel (23a - 23n) zwischen dem SQUID und dem Rückkopplungsmittel zum Steuern des Lieferns der Ausgangsspannungspulse von dem SQUID an das Rückkopplungsmittel, welches Tormittel mit einem Steuersignal versorgt wird und die Ausgangsspannungspulse als Antwort auf einen logischen Pegel des Steuersignals selektiv durchläßt;

welches Mehrkanal-Magnetometer ferner ein Auswahlmittel (30) aufweist, an das Auswahlsignale zum Spezifizieren eines gewünschten Kanals angelegt werden und welches das Steuersignal selektiv an das Tormittel des supraleitenden Quanteninterferenz-Magnetometerelements des spezifizierten Kanals liefert; und

ein Verbindungszuleitungsmittel (27a, 27), das mit dem SQUID jedes Kanals über das entsprechende Tormittel verbunden ist, zum Liefern des Ausgangsspannungspulses an eine Verarbeitungsschaltung; und

dadurch gekennzeichnet, daß das Rückkopplungsmittel (22a - n), das Tormittel (23a - n) und das Auswahimittel (30) alle in dem Kühlgefäß (100) untergebracht sind.

2. Ein supraleitendes Mehrkanal-Quanteninterferenz- Magnetometer nach Anspruch 1, in welchem das Auswahlmittel (30) eine Vielzahl logischer Schaltungen (Q1 - Q256) aufweist, die jeweils mit den Auswahlsignalen versorgt werden und ein logisches Produkt der Auswahlsignale als das Steuersignal erzeugen.

3. Ein Mehrkanal-Quanteninterferenz-Magnetometer nach Anspruch 2, in welchem die Auswahlsignale (A1 ... Am) an die logischen Schaltungen (Q1 - Q256) als nicht-invertierte und als invertierte logische Signale geliefert werden, wobei die Kombination der logischen Signale und ihrer Inversion für jeden Kanal verschieden ist.

4. Ein Mehrkanal-Quanteninterferenz-Magnetometer nach Anspruch 2 oder 3, in welchem jede logische Schaltung (Qi) eine Vielzahl Logische-Produkt-Tore (UND1, UND2, ... UND11, ... UNDz) aufweist, die in Kaskade angeordnet sind, um das logische Produkt der Auswahlsignale zu erzeugen.

5. Ein Mehrkanal-Quanteninterferenz-Magnetometer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, in welchem das Rückkopplungsmittel einen Aufwärts/Abwärtszähler (91a) zum Empfangen der Ausgabepulse von dem SQUID-Sensor zum Erzeugen von Ausgabedaten enthält, die für die Zahl von Ausgabepulsen einer ersten Polarität minus die Zahl von Ausgabepulsen der zweiten entgegengesetzten Polarität kennzeichnend sind, und einen Digital-Analog-Wandler (91b), der ebenfalls in dem Kühlgefäß vorgesehen ist, zum Empfangen der Ausgabedaten des Aufwärts/Abwärtszählers und Umwandeln dieser in ein analoges Signal.

6. Ein Mehrkanal-Quanteninterferenz-Magnetometer nach einem der Ansprüche 1 bis 4, in welchem der SQUID durch eine Wechsel stromvorspannung angesteuert wird.

7. Ein supraleitendes Mehrkanal-Quanteninterferenz- Magnetometer zum Messen eines unbekannten Magnetfeldes mit:

einem Kühlgefäß (100) zum Halten eines Kühlmediums;

einen SQUID-Sensor mit einer aus einer geschlossenen Schleife eines supraleitenden Körpers gebildeten supraleitenden Detektionsschleife (33) zum Verketten mit dem unbekannten Magnetfeld; einem ersten SQUID (81), der durch einen Gleichstrom-Ansteuerstrom (84) angesteuert wird, mit der supraleitenden Detektionsschleife magnetisch gekoppelt ist und einen Ausgangsstrom erzeugt, der dem unbekannten Magnetfeld im allgemeinen proportional ist; und einem zweiten SQUID (86), der durch eine Wechselstromvorspannung (90) angesteuert wird und mit dem ersten SQUID magnetisch gekoppelt ist, zum Erzeugen eines Ausgangsspannungspulses als Antwort auf jeden Zyklus des Wechselstrom-Vorspannungssignals und als Antwort auf den Ausgangsstrom des ersten SQUID, welche SQUID-Sensoren in dem Kühlgefäß untergebracht sind, um durch das Kühlmedium gekühlt zu werden;

ein Rückkopplungsmittel (91), das mit den Ausgangsspannungspulsen von dem zweiten SQUID versorgt wird, zum Erzeugen eines Magnetflusses, der dem unbekannten Magnetfluß in der Detektionsschleife infolge des unbekannten Magnetfeldes entgegenwirkt, als Antwort auf jeden Ausgangsspannungspuls; und

ein Tormittel (23a - 23n) zwischen dem zweiten SQUID und dem Rückkopplungsmittel zum Steuern des Lieferns der Ausgangsspannungspulse von dem zweiten SQUID an das Rückkopplungsmittel, welches Tormittel mit einem Steuersignal versorgt wird und die Ausgangsspannungspulse als Antwort auf einen logischen Pegel des Steuersignals selektiv durchläßt;

ein Verbindungszuleitungsmittel (27a, 27), das mit dem zweiten SQUID (86) jedes Kanals über das entsprechende Tormittel verbunden ist, zum Leiten des Ausgangsspannungspulses zu einer Verarbeitungsschaltung;

worin das Rückkopplungsmittel (91), das Tormittel (23a - n) und das Auswahlmittel (30) alle in dem Kühlgefäß (100) untergebracht sind.

8. Ein Mehrkanal-Quanteninterferenz-Magnetometer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, in welchem die Verarbeitungsschaltung ein Josephson-Prozessor (151) ist und ebenfalls in dem Kühlgefäß (100) untergebracht ist.